一种制造技术

本发明专利技术涉及一种

【技术实现步骤摘要】
一种MOFs三维光子晶体痕量氢气光学传感器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及潮湿环境痕量易燃易爆气体传感领域，具体说是一种
MOFs
三维光子晶体痕量氢气光学传感器及其制备方法
。

技术介绍

[0002]随着世界能源危机，环境污染的加重，利用清洁可再生能源替代传统的化石燃料已成为环境保护和能源利用的必然趋势
。
氢气作为一种清洁又高效的能源而备受关注
。
然而氢气亦是易燃易爆气体，高容量的存储和运输存在限制，稍有不慎泄露便会引发爆炸，造成人员伤亡和财产损失
。
国家提出了氢气安全利用的三大原则：不泄露，早发现，不积累
。
因此，迫切需要研制出先进高效的氢气传感装置，实现对大气周围痕量氢气的实时监测
。
目前，由于传统气体传感器吸附位点不足，复杂的大气成分比如对目标气体的选择性识别和抗湿度干扰的限制，能够在湿空气环境下探测痕量易燃易爆气体具有挑战
。
为了克服这些困难，传感材料的选择以及传感器件的设计和制备是至关重要的
。
[0003]MOFs
材料是金属有机骨架
(Metal
‑
Organic Frameworks
，
MOFs)
，又称多孔配位聚合物
(Porous Coodination Polymer
，
PCP)
，是由金属离子
/
团簇与有机配体配位而成的，具有刚性结构
、
永久的高孔隙率和巨大的化学可调性
。MOFs
材料种类包括
IRMOF
系列材料
(Isoreticular Metal
‑
Organic Frameworks)、ZIF
系列材料
(Zeolite
‑
Imidazolate Frameworks)、MIL
系列材料
(Materials of Institute Lavoisier)
，
CPL
系列材料
(Coordination Pillared
‑
Layer)
，
UiO
系列材料
(University of Oslo)
以及
PCN
系列材料
(Porous Coordination Network)
等
。
[0004]由于
MOFs
具有大的比表面积，极高的孔隙率和可调的结构，其可以被广泛应用于气体传感领域
。
它们通常被集成到现有的技术和设备中，因为它们有能力在其表面保留适当数量的气体分子以进行相互作用
。
常规的气体传感器一般为电学半导体金属氧化物气体传感器，而这种传感器需在高温下使用，易造成能源消耗和危险，且器件灵敏度受湿度影响极大
。
光学传感器因其操作安全，可在室温下工作且制备成本低成为了气体传感器领域的新秀
。
光子晶体是一种介电常数随空间周期性变化的新型光学微结构材料，其最根本的特征是具有光子禁带
。
按照光子禁带在空间中所存在的维数，光子晶体可分为一维光子晶体
、
二维光子晶体和三维光子晶体
。
相比于一维二维，三维光子晶体具有完全光子带隙，有利于光学信号转导，且在三维空间分布上极大的增加了孔隙和气体吸附位点，促进气体扩散
。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种
MOFs
三维光子晶体痕量氢气光学传感器
。
本专利技术将
MOFs
三维光子晶体集成到新型光学传感器件中，用以克服目前常用的氢气传感器吸附位点不足，选择性低，响应速度慢，需高温工作且操作复杂，稳定性差，易受环境湿度干扰等缺陷
。
[0006]为达到以上目的，本专利技术采取的技术方案是：
[0007]一种
MOFs
三维光子晶体痕量氢气光学传感器，其特征在于，包括基底层和传感层；
[0008]基底层为硬质或柔性片状硅，其中集成有传感器；
[0009]传感层为
MOFs
三维光子晶体
。
[0010]在上述方案的基础上，
[0011]所述
MOFs
三维光子晶体由纳米颗粒有序堆积而成；
[0012]所述纳米颗粒形状包括立方体
、
截断立方体
、
八面体
、
十二面体
、
截断十二面体
、
球体
、
十四面体
、
片状
。
[0013]本专利技术的另一个目的在于提供一种
MOFs
三维光子晶体痕量氢气光学传感器的制备方法
。
[0014]为达到以上目的，本专利技术采取的技术方案是：
[0015]一种
MOFs
三维光子晶体痕量氢气光学传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0016]步骤
1、
将金属离子源化合物
、
有机配体溶于溶剂后，加入调制剂进行反应，得到单分散纳米颗粒；所述调制剂包括酸调制剂
、
碱调制剂
、
表面活性剂中的一种或两种以上；
[0017]步骤
2、
如步骤1未使用表面活性剂，则：
[0018]将步骤1得到的单分散纳米颗粒分散在表面活性剂溶液中，搅拌
24h
进行表面功能化；
[0019]或直接进行步骤3；
[0020]如步骤1使用了表面活性剂，则直接进行步骤3；
[0021]步骤
3、
将步骤1或步骤2得到的纳米颗粒超声分散在分散介质中，得到
MOFs
胶体悬浮液；
[0022]步骤
4、
将步骤3得到的
MOFs
胶体悬浮液在基底层面形成致密多孔
MOFs
三维光子晶体结构
。
[0023]在上述方案的基础上，
[0024]步骤1所述金属离子源化合物中的金属离子与有机配体的摩尔比为
1∶1
‑
1∶110
；调制剂的总添加量为
0M
‑
5M
；溶剂包括
N
，
N
‑
二甲基甲酰胺
、
去离子水或甲醇溶剂；
[0025]步骤1所述的金属离子源化合物包括
Zn(CH3COO)2·
2H2O、ZrCl4或
Co(NO3)2·
6H2O
，有机配体包括2‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种
MOFs
三维光子晶体痕量氢气光学传感器，其特征在于，包括基底层和传感层；基底层为硬质或柔性片状硅，其中集成有传感器；传感层为
MOFs
三维光子晶体
。2.
如权利要求1所述的一种
MOFs
三维光子晶体痕量氢气光学传感器，其特征在于：所述
MOFs
三维光子晶体由纳米颗粒有序堆积而成；所述纳米颗粒形状包括立方体
、
截断立方体
、
八面体
、
十二面体
、
截断十二面体
、
球体
、
十四面体
、
片状
。3.
如权利要求1‑2任意一项所述的一种
MOFs
三维光子晶体痕量氢气光学传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤
1、
将金属离子源化合物
、
有机配体溶于溶剂后，加入调制剂进行反应，得到单分散纳米颗粒；所述调制剂包括酸调制剂
、
碱调制剂
、
表面活性剂中的一种或两种以上；步骤
2、
如步骤1未使用表面活性剂，则：将步骤1得到的单分散纳米颗粒分散在表面活性剂溶液中，搅拌
24h
进行表面功能化；或直接进行步骤3；如步骤1使用了表面活性剂，则直接进行步骤3；步骤
3、
将步骤1或步骤2得到的纳米颗粒超声分散在分散介质中，得到
MOFs
胶体悬浮液；步骤
4、
将步骤3得到的
MOFs
胶体悬浮液在基底层面形成致密多孔
MOFs

【专利技术属性】
技术研发人员：陈云琳，王雅茹，王兆龙，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：