一种BP-Au-WS2三元气敏复合材料及其应用制造技术

本发明专利技术属于气体敏感材料领域，具体涉及一种BP

【技术实现步骤摘要】
一种BP
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Au
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WS2三元气敏复合材料及其应用


[0001]本专利技术属于气体敏感材料领域，具体涉及一种BP
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Au
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WS2三元气敏复合材料、基于BP
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Au
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WS2三元气敏复合材料开发出的气敏元件、NO2浓度检测仪，以及有害气体警报器。

技术介绍

[0002]工业生产和交通运输过程中会消耗大量化石燃料，化石燃料的使用初始会排放大量二氧化碳并造成气候变暖以外，还可能会排放出大量有毒有害的气体，如氮氧化物、氨气、硫化物气体等。这些气体如果大量排放到大气中则可能会引发严重的生态危机，因此控制有害气体的排放是环保部门最重要的任务之一。控制有害气体排放的前提是能够实现对有害气体进行有效检测，这就需要使用到某些对特定气体具有高度敏感性的气敏传感器。除了工业生产需要对排放的废气进行气体成分与浓度监测以外，随着生活品质的提高，人们对生活以及办公环境中的NH3、NO2、甲醛、丙酮等有毒、有害气体检测需求也在不断提升。这需要技术人员开发出各类高性能的气体敏感材料。
[0003]目前，在气体检测领域常用的传感器敏感材料主要包括In2O3、ZnO、SnO2、WO3等金属氧化物及混合金属氧化物。但是金属氧化物传感材料的工作温度时常在200
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500℃，需要在传感器中加热才能使用，在应用场景方面局限性较大，不适合检测易燃、易爆的有机挥发物，大多应用于工业生产中，此外，这类传感器还普遍存在能耗高，安全性低、使用寿命有限等缺陷。
[0004]中国专利技术专利授权公告号CN106841338B的文件中公开了一种气体传感器及其制备方法。该方采用掺有金属钴元素的黑磷材料作为气体敏感材料；并利用黑磷材料特殊的半导体能带间隙和特殊的化学活性，实现了对一氧化碳气气体的常温高精度测量。但是由于黑磷材料在空气中极易分解，因此该气敏材料的稳定性较差，气敏元件的使用寿命较短。这同样会限制该方案的产业化应用前景。
[0005]因此，如何开发出一种对不同应用环境的适应性更好，结构和性能的稳定性更强的气敏材料，正成为本领域技术人员亟待解决的技术难题。

技术实现思路

[0006]为了解决常规黑磷类气敏材料的稳定性较差，使用寿命较低，测量精度的可靠性不足等问题，本专利技术提供了一种BP
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Au
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WS2三元气敏复合材料，基于BP
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Au
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WS2三元气敏复合材料开发出的气敏元件、NO2浓度检测仪，以及有害气体警报器等。
[0007]本专利技术采用以下技术方案实现：
[0008]本专利技术制备出了一种新型的BP
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Au
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WS2三元气敏复合材料，其为含金、黑磷和过渡金属硫化物的三元复合材料。具体地，该型BP
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Au
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WS2三元气敏复合材料的制备方法如下：
[0009](1)按照1:(1～1.5):(1.7～2)的质量比准备过渡金属盐、草酸，以及硫脲。将过渡金属盐加入到足量的去离子水中搅拌溶解，并用盐酸将溶液的PH调制为1.2～1.5后继续搅拌15min。接着，向上述溶液加入草酸搅拌10min后，再加入硫脲搅拌30min，得到混合均匀的
反应体系。
[0010](2)将上步骤的反应体系转移至反应釜中，以220～250℃的温度反应24h。对反应生成的沉淀物进行离心洗涤，并真空干燥8h，得到过渡金属硫化物。
[0011](3)将上步骤的过渡金属硫化物加入到足量的乙醇溶液中，并按照HAuCl4与过渡金属硫化物的质量比为5:1的比例加入HAuCl4。对混合物超声处理2h后再搅拌8～12h；离心洗涤得到固形物真空干燥8h，得到含金的过渡金属硫化物粉末。
[0012](4)将上步骤得到的含金的过渡金属硫化物与红磷，固体碘，硒粉末按照1:(0.5～2):(0.05～0.2):(0.025～0.1)的质量比混合均匀。对混合物进行真空烧制，真空烧制过程的温度控制条件如下：先以5℃/min升温至590～620℃保温2h，并以0.6～0.8℃/min降至500℃并保温5h，接着以1℃/min降至200℃，最后自然冷却得到BP
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Au
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WS2三元气敏复合材料。
[0013]作为本专利技术进一步的改进，步骤(1)中，所述过渡金属盐选择钨酸钠二水合物，氯化钨，钼酸钠二水合物中的任意一种。
[0014]作为本专利技术进一步的改进，步骤(2)和(3)中的产物真空干燥过程在真空烘箱内完成，干燥温度均设置为60℃。
[0015]作为本专利技术进一步的改进，步骤(3)中，通过超声波分散机对含有过渡金属硫化物、HAuCl4和乙醇溶液的混合物进行超声分散处理，超声波分散机的超声功率为300W～500W，频率为40KHz。
[0016]作为本专利技术进一步的改进，步骤(4)中，含金的过渡金属硫化物与红磷，固体碘，硒粉末的混合物的真空烧制方法如下：将混合物送到石英管中抽真空密封，然后将石英管放入马弗炉中进行烧制。
[0017]本专利技术还提供的一种BP
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Au
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WS2三元气敏复合材料的应用。具体地，利用该气敏材料可以制备气敏探针或微量气体探测元件。进而在室温条件下实现对ppb级别目标气体的定性或定量检测。本专利技术提供的BP
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Au
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WS2三元气敏复合材料对氮氧化物气体(如二氧化氮和一氧化氮)和氨气都具有较强的敏感性，因此检测的目标气体包括氮氧化物气体和氨气。特别地，由于该BP
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Au
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WS2三元气敏复合材料对二氧化氮的敏感性最强，因此目标气体优选为NO2。
[0018]本专利技术还包括一种气敏元件，为一种阻值随所处环境气氛中目标气体浓度的变化而发生变化的敏感电极；敏感电极包括含有氧化铝衬底的Pt叉指电极，以及位于Pt叉指电极表面的敏感层。敏感层的材料采用如前述的BP
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Au
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WS2三元气敏复合材料。
[0019]其中，该型气敏元件的制备方法如下：
[0020]将BP
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Au
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WS2三元气敏复合材料加入到乙醇中并超声分散处理1～5min，然后将悬浮液滴在含有氧化铝衬底的Pt叉指电极上，烘干后得到所需的含有敏感层的气敏元件。
[0021]本专利技术还包括一种NO2浓度检测仪，其采用如前述的气敏元件作为检测电极进而构成一个动态四通道气敏测试系统。NO2浓度检测仪中的数据处理模块根据获取到的检测电极的实时阻值R以及预先构建的气体响应函数Q，输出当前检测到的NO2的浓度值。
[0022]在NO2浓度检测仪中，气体响应函数的生成方法如下：
[0023]S1：制备如前述的气敏元件；并以气敏元件作为检测电极构成一个动态四通道气敏测试系统。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种BP
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Au
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WS2三元气敏复合材料，其特征在于，其为含金、黑磷和过渡金属硫化物的三元复合材料；所述BP
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Au
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WS2三元气敏复合材料的制备方法如下：(1)按照1:(1～1.5):(1.7～2)的质量比准备过渡金属盐、草酸，以及硫脲；将过渡金属盐加入到足量的去离子水中搅拌溶解，并用盐酸将溶液的PH调制为1.2～1.5后继续搅拌15min；接着，向上述溶液加入草酸搅拌10min后，再加入硫脲搅拌30min，得到混合均匀的反应体系；(2)将上步骤的反应体系转移至反应釜中，以220～250℃的温度反应24h；对反应生成的沉淀物进行离心洗涤，并真空干燥8h，得到过渡金属硫化物；(3)将上步骤的过渡金属硫化物加入到足量的乙醇溶液中，并按照HAuCl4与过渡金属硫化物的质量比为5:1的比例加入HAuCl4；对混合物超声处理2h后再搅拌8～12h；离心洗涤得到固形物真空干燥8h，得到含金的过渡金属硫化物粉末；(4)将上步骤得到的含金的过渡金属硫化物与红磷，固体碘，硒粉末按照1:(0.5～2):(0.05～0.2):(0.025～0.1)的质量比混合均匀；对混合物进行真空烧制，真空烧制过程的温度控制条件如下：先以5℃/min升温至590～620℃保温2h，并以0.6～0.8℃/min降至500℃并保温5h，接着以1℃/min降至200℃，最后自然冷却得到BP
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Au
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WS2三元气敏复合材料。2.如权利要求1所述的BP
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Au
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WS2三元气敏复合材料，其特征在于：步骤(1)中，所述过渡金属盐选择钨酸钠二水合物，氯化钨，钼酸钠二水合物中的任意一种。3.如权利要求2所述的BP
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Au
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WS2三元气敏复合材料，其特征在于：步骤(2)和(3)中的产物真空干燥过程在真空烘箱内完成，干燥温度均设置为60℃。4.如权利要求1所述的BP
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Au
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WS2三元气敏复合材料，其特征在于：步骤(3)中，通过超声波分散机对含有过渡金属硫化物、HAuCl4和乙醇溶液的混合物进行超声分散处理，超声波分散机的超声功率为300W～500W，频率为40KHz。5.如权利要求1所述的BP
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Au
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WS2三元气敏复合材料，其特征在于：步骤(4)中，含金的过渡金属硫化物与红磷，固体碘，硒粉末的混合物的真空烧制方法如下：将混合物送到石英管中抽真空密封，然后将石英管放入马弗炉中进行烧制。6.一种如权利要求1
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5中任意一项所述的BP
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Au
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WS2三元气敏复合材料的应用，其特征在于：利用所述气敏复合材料制备气敏探针或微量气体探测元件，并在室温条件下实现对ppb级别目标气体的定性或定量检测。7.如权利要求6所述的BP
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Au
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WS2三元气敏复合材料的应用，其特征在于：所述目标气体包括氮氧化物气体和氨气；目标气体优选为NO2。8.一种气敏元件，其特征在于，其为一种阻值随所处环境气氛中目标气体浓度的变化而发生变化的敏感电极；所述敏感电极包括含有氧化铝衬底的Pt叉指电极，以及位于Pt叉指电极表面的敏感层；所述敏感层的材料采用如权利要求1
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5中任意一项所述的BP
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Au
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WS2三元...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘桂武，梁智萍，乔冠军，刘军林，侯海港，
申请(专利权)人：微集电科技苏州有限公司，
类型：发明
国别省市：