[发明专利]一种棉花碳化法制备高性能气敏传感器的方法

说明书

本发明涉及一种将基于棉花碳化后的气体传感器阵列的制备方法。该方法中涉及的装置是由6个传感器、陶瓷基底和12个电极组成，简单的利用碳化的方法制成生物碳材料以及碳化不同的时间造成各传感器间检测性能的差异，并大大提高了气体传感器的灵敏度。采用雷达指纹图谱的数据处理方法，在室温（25℃）可实现对氨水、甲醛、乙醇和水蒸气的快速（27秒）识别检测。本发明所涉及的传感器阵列制备方法简单，具有在室温下进行非接触式识别检测的优点，极大的增强了传感器阵列的实用性。

技术领域

本发明涉及有毒有害气体检测领域，特别是涉及一种可识别性检测有毒有害气氛的方法，该方法通过将棉花碳化来改善其气敏传感特性，实现对多种有毒有害气体的差异性响应和识别性检测。

背景技术

随着生活水平和受教育程度的提高，人们对环境问题的关注越来越深入、广泛。由于大气污染，室内外空气中有多种有毒有害气体，家居装饰和家具在日常生活中也会产生有毒气体。国家也相应颁布了一系列预防和控制空气污染的法律法规。因此，检测各种有害气体，如甲醛、氨等是非常重要的。目前传统的气体传感器大多采用的都是金属氧化物材料，例如SnO₂、ZnO等，但是这类金属氧化物传感器有很多缺点，例如制造生产成本高，使用条件较为苛刻，必须在高温下才可使用，而且不环保。相比之下碳材料成本低，导电性好，无毒，比表面积大，还具有良好的热稳定性和吸附性，在废物垃圾处理，电学材料，生物载体都有良好的应用前景。因此越来越多的气体传感器采用碳材料，例如石墨烯，碳纳米管，活性炭等。传统制备碳材料的主要来源多是石油，煤炭等化石资源，但随着近几年全球经济形势的高速发展，使得人们面临着史无前例的困难：煤，石油等化石燃料短缺造成严重的能源危机，并且化石燃料的开采会破坏自然环境，化石燃料的燃烧会加剧全球气候变暖和严重的大气污染等问题。为了解决这类问题人们必须找到一种环保的可持续发展的新型能源。因此，近年来对生物碳材料的研究越来越多。许多研究表明，生物碳在未来可能完全取代石油和煤炭作为碳材料。生物碳是由有机废物、动物废物、骨头、植物根、木屑和小麦秸秆等生物质加工而成的多孔碳。生物碳材料的制备工艺是绿色的、无污染的甚至可以废物利用的。碳基材料传感器的性能与孔隙率、表面官能团和电导率有关。生物碳经过化学活化可提高碳材料的孔隙率。常用的活化剂有NaOH、KOH和ZnCl₂。在碳材料中掺杂氮原子也可以提高电导率。使碳化后的生物质成为一种主要由碳元素组成的碳材料。制备方法可分为干法和湿法（本文选用干法制备）。我们将棉纤维应用于气敏传感器材料的制备，地处于新疆对研究棉花制成生物碳材料有很大优势。棉花碳材料具有较高的表面积、丰富的活性位点、中空的结构等优点，使得棉花可以作为生物基碳材料来制造气体传感器。我们以棉花为生物基碳源，升温速率为5℃/min在氮气保护下600℃进行碳化。第一种选择是直接将棉花纤维碳化。第二种是先将棉花浸泡在氢氧化钠中活化，然后在氮气保护下600℃进行碳化形成多孔结构后碳材料。在气敏试验中，主要检测挥发性有机物 NH₃、CH₂O、C₂H₆O和H₂O₂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于棉花碳化后纳米粉末的气体传感器阵列的制备方法。该方法中涉及的装置是由6个传感器、陶瓷基底和12个电极组成，简单的利用碳化不同的时间以及活化造成表面态和电子耗尽层的变化，并由此引起各传感器间检测性能的差异，采用雷达指纹图谱的数据处理方法，在室温下（25 ℃）可实现对氨水，甲醛，乙醇和双氧水气氛进行识别检测。另外，从扫描电镜图也可以看出，碳化过的棉花呈现中空状（类碳微米管），以及X射线衍射图说明样品趋于石墨化。

本发明所述是一种将基于棉花碳化后的气体传感器阵列的制备方法，具体操作按下列步骤进行：

气敏材料的制备：

a、将4g将氢氧化钠溶解于500mL去离子水中配制0.2mol/L的氢氧化钠水溶液；

b、将5-20g棉花纤维放入步骤a中配比好的溶液内放置24h，让棉花纤维吸附氢氧化钠后活化；