一种CeO制造技术

本发明专利技术涉及湿度检测传感器技术领域，特别涉及一种CeO

【技术实现步骤摘要】
一种CeO2/g-C3N4杂化膜的湿度传感器及其制备方法和应用
本专利技术涉及湿度检测传感器
，特别涉及一种CeO2/g-C3N4杂化膜的湿度传感器及其制备方法和应用。
技术介绍
近年来，可穿戴电子设备在人体健康、健康评估、运动监测等领域的潜在应用越来越受到人们的关注。它们可以连续记录一个人的生理标志物。特别是各种柔性传感器设计的快速发展，极大地扩展了柔性可穿戴设备在新型软电子系统中的应用。水是地球生命不可或缺的物质，对人类健康起着至关重要的作用。因此，测量湿度已成为卫生保健中常见的做法，如呼吸监测、运动检测、皮肤干燥测试等。水分子在大多数人的新陈代谢过程中起着极其重要的作用，因此可以作为合适的信号源。因此，通过实时监测人体皮肤表面和呼出空气中水分子的含量和分布，获取个体的生理信息是切实可行的。在过去的几十年里，各种湿度传感器，如电阻式，电容式，阻抗式，QCM和光纤湿度传感器已经被开发。电容式湿度传感器以其良好的温度稳定性、简单的结构和良好的动态响应成为湿度测试传感器的重要选择。各种各样的材料被应用于湿度传感器的制造，如金属氧化物、电解质、聚合物和碳材料。例如，石墨碳氮化物g-CN(通常被称为“g-C3N4”)是一种二维纳米材料，是由碳和氮两种“富地球”元素组成的非金属聚合物。它不仅有助于降低生产成本，而且具有令人兴奋的物理化学性质和电子能带结构。g-C3N4的结构类似于2D层状石墨材料。由于其良好的半导体性能、高导热性和化学稳定性，在金属离子检测、光催化、水分解、电催化、燃料电池和生物成像等方面成为一个重要的新兴研究课题。因为g-C3N4的表面积极低(10-15m2g-1)限制了其在高性能湿度传感器中的应用，因此g-C3N4的光催化性能研究较多，但用于湿度传感器的研究较少。传统的湿度传感器在高分子水平和实时检测湿度波动方面存在着很大的挑战，如湿度滞后、稳定性差、运动测量实时性差等。因此，有必要开发一种可穿戴、高精度、实时的湿度传感器。CN110208334A，公开了一种针对呼出气的湿度传感器制备方法及其检测系统，属于传感器材料及气体检测系统领域，将微纳米传感器与MEMS工艺结合，构建了一种针对呼出气的湿度传感器，提高了传感响应效率和耐受性能，该专利技术还提供的可穿戴式的便携式实时呼吸检测系统。上述专利，使用高灵敏度、低成本、宽范围、快速的湿度传感器，具有合理的响应和恢复时间,同时具有良好的可重复性，使用寿命长，能够在人们特别是老年人突发一些不可预测的事故时发送信息以寻求帮助。但是，上述专利中的湿度传感器表面采用氧化铟-氧化石墨烯，其中，氧化石墨烯为有机材料，虽然亲水性好，但是不结晶，均一性差，在湿度传感器的大批量生产过程中每一批次的传感器批间差异大，并且氧化铟为无机材料，因此氧化铟和氧化石墨烯的相容性差，严重影响制备成的传感器的灵敏度及量程范围。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种对湿度具有更宽的监测范围，在室温下响应快且可逆，灵敏度、稳定性、响应性更强，恢复时间更短，重复性更好，的CeO2/g-C3N4杂化膜的湿度传感器及其制备方法和应用。本专利技术为实现上述目的采用的技术方案是：一种CeO2/g-C3N4杂化膜在湿度传感器中的应用，所述湿度传感器包括基板、结合于所述基板上的湿敏材料，以及连通于所述湿敏材料上的电阻值检测装置，所述湿敏材料为氧化铈和石墨碳氮化物制备而成的氧化铈-石墨碳氮化物杂化膜。进一步的，所述CeO2/g-C3N4杂化膜表面的水吸附过程为：①CeO2/g-C3N4杂化膜与水分子接触，CeO2表面氧空位调控带隙、吸附水分子中氧分子，水分子通过化学吸附作用在CeO2和g-C3N4活性位点上形成不连续的第一层水层；②随着湿度的增加，第二阶段开始，物理吸附发生，形成多层吸附，CeO2/g-C3N4表面的水分子形成连续的水层；③吸附的水分子电离成H3O+，发生Grotthuss链式反应，H2O+H3O+→H3O++H2O；④当水分子穿透到CeO2膜和g-C3N4膜之间的中间层时，介电常数大大增加，电容值也相应增大。本专利技术还包括一种制备上述的基于CeO2/g-C3N4杂化膜的湿度传感器的制备方法，包括如下步骤：(1)制备g-C3N4：煅烧尿素，制备得到g-C3N4；(2)制备CeO2：煅烧Ce(NO3)3·6H2O，制备得到CeO2；(3)制备CeO2/g-C3N4杂化膜，①将5gg-C3N4颗粒和3gCeO2颗粒分散到100mL甲醇中并均匀搅拌，超声处理0.5小时，以获得分布均匀的溶液；②然后将该溶液置于通风橱中并搅拌24小时以除去甲醇并产生黄色固体颗粒；③将固体颗粒在马弗炉中于150℃烘烤4小时，以获得CeO2/g-C3N4复合材料；④将500mg的CeO2/g-C3N4复合材料加入20mL去离子水中，超声振荡搅拌溶液1小时后静置10h；⑤将上层的透明液滴加入到玻璃纤维环氧树脂覆铜基板上，形成湿度敏感的传感膜；⑥将基板置于60℃的真空烤箱中静置4h。进一步的，所述步骤(1)中g-C3N4的制备方法为：将20g尿素添加到坩埚中，用铝箔覆盖其顶部后盖上盖子，将坩埚放入煅烧炉中并在550℃下煅烧4h，得到浅黄色g-C3N4。进一步的，所述步骤(2)中CeO2的制备方法为：在流动的空气中于550℃下煅烧Ce(NO3)3·6H2O4小时，获得不规则的CeO2纳米粒子。本专利技术还包括一种CeO2/g-C3N4杂化膜的湿度传感器的应用，所述湿度传感器具有上述的结构或通过上述的方法制备，其特征在于，所述湿度传感器应用于呼吸湿度检测、人体皮肤干燥监测、就坐时间检测和运动状态监测。进一步的，将湿度传感器应用于运动状态监测装置，使运动员通过监测和控制呼吸和心率来达到最佳的训练效果：用踏板发电机模拟运动员的骑行过程，在运动员的面罩上安装了湿度传感器，在运动员的脉搏点上安装了心率监测器，以便实时监测和分析运动员的呼吸和心率，运动员使用检测设备以不同的速度骑行一分钟，分别采集两个传感器的响应值。进一步的，将湿度传感器应用于人体皮肤干燥监测装置,将监测装置戴在前额、脖子、手臂和膝盖上，以检测跑步时皮肤的干燥程度。在30分钟的跑步中，选择额头作为皮肤干燥的主要检测部位。测试不同运行速度下传感器电容响应值的变化。进一步的，将湿度传感器应用于就坐时间检测装置,在座椅上安装湿度传感器，通过检测湿度传感器电容在不同就坐时间下的响应值，确定座椅表面湿度的变化，以确定使用者的就坐时间。进一步的，将湿度传感器应用于呼吸监测显示装置：面具上安装湿度传感器，通过呼吸频率低、中、高时传感器的电容性响应和恢复情况，实时监测和分析使用者的呼吸频率。本专利技术CeO2/g-C3N4杂化膜的湿度传感器及其制备方法和应用的有益效果是：CeO2/g-C3N4薄膜传感器具有优异的湿度传感性能，包括超高的响应性和良好的重复性。因此，CeO2/g-C3N4薄膜是一种理想的湿度检测材料。CeO2和g-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种CeO

【技术特征摘要】
20200120 CN 20201006456471.一种CeO2/g-C3N4杂化膜在湿度传感器中的应用，其特征在于：所述湿度传感器包括基板、结合于所述基板上的湿敏材料，以及连通于所述湿敏材料上的电阻值检测装置，所述湿敏材料为氧化铈和石墨碳氮化物制备而成的氧化铈-石墨碳氮化物杂化膜。


2.根据权利要求1所述的CeO2/g-C3N4杂化膜在湿度传感器中的应用，其特征是，所述CeO2/g-C3N4杂化膜表面的水吸附过程为：①CeO2/g-C3N4杂化膜与水分子接触，CeO2表面氧空位调控带隙、吸附水分子中氧分子，水分子通过化学吸附作用在CeO2和g-C3N4活性位点上形成不连续的第一层水层；②随着湿度的增加，第二阶段开始，物理吸附发生，形成多层吸附，CeO2/g-C3N4表面的水分子形成连续的水层；③吸附的水分子电离成H3O+，发生Grotthuss链式反应，H2O+H3O+→H3O++H2O；④当水分子穿透到CeO2膜和g-C3N4膜之间的中间层时，介电常数大大增加，电容值也相应增大。


3.一种制备基于CeO2/g-C3N4杂化膜的湿度传感器的制备方法，其特征在于，CeO2/g-C3N4杂化膜的湿度传感器为权利要求1-2任一项所述的湿度传感器，方法包括如下步骤：
(1)制备g-C3N4：煅烧尿素，制备得到g-C3N4；
(2)制备CeO2：煅烧Ce(NO3)3·6H2O，制备得到CeO2；
(3)制备CeO2/g-C3N4杂化膜，
①将5gg-C3N4颗粒和3gCeO2颗粒分散到100mL甲醇中并均匀搅拌，超声处理0.5小时，以获得分布均匀的溶液；②然后将该溶液置于通风橱中并搅拌24小时以除去甲醇并产生黄色固体颗粒；③将固体颗粒在马弗炉中于150℃烘烤4小时，以获得CeO2/g-C3N4复合材料；④将500mg的CeO2/g-C3N4复合材料加入20mL去离子水中，超声振荡搅拌溶液1小时后静置10h；⑤将上层的透明液滴加入到玻璃纤维环氧树脂覆铜基板上，形成湿度敏感的传感膜；⑥将基板置于60℃的真空烤箱中静置4h。<...

【专利技术属性】
技术研发人员：张冬至，王兴伟，孟维琦，殷英达，吴尚原，马晓东，刘嘉文，明世杰，季俊廷，缪妍婧，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东;37