一种花状纳米WO3/石墨烯复合气敏材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种花状纳米WO3/石墨烯复合气敏材料及其制备方法和应用。将氧化石墨烯与可溶性钨盐采用微波搅拌水热方法复合制得花状纳米WO3/石墨烯复合气敏材料，纳米WO3/石墨烯复合材料中石墨烯含量为0.1-1.0％。本发明专利技术纳米WO3/石墨烯复合气敏材料形貌独特、均一，对苯胺气体灵敏度高，工作温度低至80℃，选择性好。制备方法采用微波加热，搅拌，工艺先进，反应时间短，成本低。

【技术实现步骤摘要】
一种花状纳米WO3/石墨烯复合气敏材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及新材料领域，特别涉及一种花状纳米WO3/石墨烯复合气敏材料及其制备方法和应用。
技术介绍
苯胺是一种重要的化工原料，主要用于医药和橡胶硫化促进剂，也是制造树脂和涂料的原料，在实验室和工业领域都有十分广泛地应用，具有可燃性，是毒性最大的一种有机胺，它对血液和神经的毒性非常强烈，可经皮肤吸收或经呼吸道引起中毒，还可引起高铁血红蛋白血症、溶血性贫血和肝、肾的损害。因此，对环境中的苯胺气体能够快速、准确的检测就显得非常重要。目前，有关苯胺气体检测的气体传感器报道较少，基于半导体纳米材料的苯胺气体传感器尤其少见，中国专利ZL103336034A公开了一种苯胺气体传感器及其制备方法，是将具有核-壳结构的ZnS/PTCDA旋涂到二氧化硅、硅、玻璃、石英等绝缘衬底材料上，制成半导体气敏传感器，对苯胺具有较高的选择性和灵敏度。基于目前有关苯胺气体检测的气体传感器非常少的现状，研究和开发新的气敏材料非常必要。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种花状纳米WO3/石墨烯复合气敏材料，所述材料对苯胺气体具有较高的选择性，响应快速，灵敏度高，操作温度低。本专利技术的技术方案是：一种花状纳米WO3/石墨烯复合气敏材料，其特征在于，其花状结构的花瓣部分是由尖头的纳米棒组成，纳米棒的直径为10-50nm，长度为0.2-1.0μm。其中花状纳米WO3/石墨烯复合材料中石墨烯含量为总重量的0.1-1.0％。所述一种花状纳米WO3/石墨烯复合气敏材料的结构如附图1的扫描电子显微镜图所示；其XRD光谱图如图2所示。本专利技术的另一目的在于提供了一种制备权利要求1所述花状纳米WO3/石墨烯复合气敏材料的方法，包括以下步骤：将可溶性钨盐、Na2SO4、草酸与氧化石墨烯溶液充分混合，控制pH值为1.0-2.0；于反应釜中继续搅拌的条件下采用微波加热，自然冷却后分离干燥，之后进行煅烧获得花状纳米WO3/石墨烯复合气敏材料。所述煅烧于氩气气氛中进行，400-600℃煅烧1-3h。作为本专利技术的优选技术方案，所述的制备花状纳米WO3/石墨烯复合气敏材料的方法，其中微波加热的温度为160-210℃，加热时间为20-60min；在反应釜中采用磁力搅拌，转速为300-450r/min。微波加热功率可根据设定温度和加热时间自动调整，优选的，微波功率不超过1000w。进一步的，本专利技术所述的制备花状纳米WO3/石墨烯复合气敏材料的方法，将可溶性钨盐、Na2SO4、草酸加入到超声分散20-50min的氧化石墨烯溶液中，搅拌均匀，然后逐滴加入浓度为0.1-2.5mol/L的无机酸溶液，使溶液pH达到1.0-2.0，再继续搅拌10-30min。所述可溶性钨盐：Na2SO4：草酸加入量的质量比为1:1.1～2.4:0.33～1.4。煅烧于氩气气氛中进行，400-600℃煅烧1-3h。本专利技术还提出了所述花状纳米WO3/石墨烯复合气敏材料在制备苯胺气体传感元件上的应用。上述的应用是将所述花状纳米WO3/石墨烯复合气敏材料与去离子水混合成浆料，再均匀涂覆在带有叉状金电极的氧化铝陶瓷管表面，先在80-120℃的条件下干燥30-60min，再在氩气气氛中400-600℃的条件下煅烧1-3h，然后焊接、分装、老化，即得所述苯胺气体传感元件。所述的焊接、分装、老化工艺按照传统旁热式气敏元件的制备方法进行即可，该步骤为现有
技术实现思路
，本领域技术人员可以依据现有技术准确的实现该步骤，在本案中不再赘述。专利技术首先在制备工艺上采用微波加热辅以搅拌，相对于传统的水热法，反应时间短，能耗低，产率高，成本低，并且在反应过程中可搅拌；得到的是具有中间结点的花状纳米WO3/石墨烯复合材料，形貌独特、均一；其中纳米WO3是尖头的纳米棒(剑状)，其特殊结构对气敏性能有独特的贡献。本专利技术复合气敏材料具有以下特点：1)工作温度低：利用花状纳米WO3/石墨烯复合气敏材料制备的苯胺传感元件对苯胺最佳工作温度为80℃，较纯WO3和一般金属氧化物半导体气敏传感器工作温度都有大幅度降低；2)灵敏度高：在80℃对300ppm苯胺气体的灵敏度高达178.50,100ppm达38.56，而10ppm则达8.68，1ppm达5.34；3)响应-恢复时间快：气敏元件在300ppm范围内的响应时间在10s以内，恢复时间也在20s以内；4)循环稳定性好：复合气敏材料具有花状纳米结构，比表面积大，有利于提高灵敏度；纳米WO3和石墨烯复合进一步提高了元件的稳定性，在90天的持续工作中，灵敏度漂移在0.5％以内；5)选择性好：相对于苯胺，该气敏元件对一些常见的有机溶剂如乙醇、甲醇、苯和甲苯等并不敏感。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点：本专利技术纳米WO3/石墨烯复合气敏材料形貌独特、均一，对苯胺气体灵敏度高，工作温度低至80℃，选择性好。制备方法采用微波加热，辅以搅拌，工艺先进，反应时间短，成本低。附图说明图1为实施例1制备的花状纳米WO3/石墨烯复合气敏材料的SEM图；图2是实施例1花状纳米WO3/石墨烯复合气敏材料的XRD图；图3是本专利技术实施例1气敏元件在80℃下对不同浓度苯胺气体的响应-恢复曲线；图4是本专利技术实施例1气敏元件对不同浓度苯胺气体的灵敏度曲线；图5是本专利技术实施例1气敏元件的气敏选择性测试结果。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做详细说明。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。实施例1花状纳米WO3/石墨烯复合气敏材料及气敏传感器(即气敏元件)的制备1.气敏材料的制备：1)取10ml1.146mg/ml的氧化石墨烯溶液，加去离子水稀释到80ml，超声分散30min，称取2.0gNa2WO4·2H2O，3.40gNa2SO4，1.50g草酸。将上述固体药品加入到已超声分散好的氧化石墨烯溶液当中，置于磁力搅拌器上均匀搅拌2h，直至固体溶解均匀。2)在上述均匀溶液中逐滴加入2M的稀盐酸，使溶液pH达到1.5，再均匀搅拌10min。然后将上述搅拌好的溶液移入到反应釜中，微波加热。设置反应程序，25min升温到180℃，保温时间40min。转速设置为400r/min，调好磁力搅拌装置，运行，开始反应。反应结束，自然冷却到室温取出反应釜，将得到的样品离心，用去离子水洗涤至中性，在鼓风干燥箱中60℃干燥6h，然后放入管式炉中550℃煅烧3h，即得到黑色的粉末样品，电镜照片显示为花状纳米结构(见图1)，花状纳米WO3/石墨烯复合材料的花瓣是由尖头的纳米棒组成，纳米棒直径为20nm，长度为0.6μm。粉末衍射物相分析为六方相纳米WO3(见图2)，结合实验过程及样品现象可知是纳米WO3/石墨烯复合材料，所述纳米WO3/石墨烯复合材料中石墨烯含量为0.1-1.0％。2、气敏元件的制备：将所制备黑色气敏复合材料与去离子水混合成浆料后再均匀涂覆在带有叉状金电极的氧化铝陶瓷管表面，现在100℃下干燥30min；然后在氩气中400℃下煅烧2h，接着再按传统旁热式气敏元件的制备方法进行焊接、分装、老化即制成该气敏元件。3、性能测试：将制备的气敏元件，在WS-30A型(郑州炜盛电子科技有限公司)气敏测试系统中测试气敏元件的传感性能，测本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种花状纳米WO3/石墨烯复合气敏材料，其特征在于，其花状结构的花瓣部分是由尖头的纳米棒组成，纳米棒的直径为10‑50nm，长度为0.2‑1.0μm。

【技术特征摘要】
1.一种制备花状纳米WO3/石墨烯复合气敏材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：将可溶性钨盐、Na2SO4、草酸与氧化石墨烯溶液充分混合，控制pH值为1.0-2.0；于反应釜中继续搅拌的条件下采用微波加热，自然冷却后分离干燥，之后进行煅烧获得花状纳米WO3/石墨烯复合气敏材料；微波加热的温度为160-210℃，加热时间为20-60min；在反应釜中采用磁力搅拌，转速为300-450r/min；将可溶性钨盐、Na2SO4、草酸加入到超声分散20-50min的氧化石墨烯溶液中，搅拌均匀，然后逐滴加入浓度为0.1-2.5mol/L的无机酸溶液，使溶液pH达到1....

【专利技术属性】
技术研发人员：桂阳海，赵建波，郭智荣，谢冰，王伟民，
申请(专利权)人：郑州轻工业学院，
类型：发明
国别省市：河南;41