氣體傳感器及其制備方法和應用與流程

本發明涉及氣體傳感器與元件，具體涉及一種氣體傳感器及其制備方法和應用。

背景技術：

1、一氧化碳無色無臭且高毒，極易結合血紅蛋白生成碳氧血紅蛋白，使血紅蛋白喪失攜氧功能，造成組織窒息，引起惡心、頭痛、呼吸困難和心跳加速，甚至出現幻覺、神志不清、癲癇等癥狀，還可導致左心室功能障礙，并伴有收縮和舒張功能障礙，最嚴重時呼吸停止。其來源也十分豐富如工業排放、礦井開采、汽車尾氣、日常燃燒等，因此對于環境中的一氧化碳檢測至關重要。

2、目前，市面上已有多種檢測類型的一氧化碳傳感器，根據其檢測信號可分為電學信號和光學信號兩大類，電學信號主要以暴露在一氧化碳氣體中引起的氣體傳感器的電學性質變化實現檢測目的，光學信號以同一氧化碳接觸產生光學性質變化被檢測。近年來，金屬氧化物由于良好的導電性，化學、熱穩定性以及對氣體的吸附性，常用于一氧化碳等還原性氣體的傳感研究。基于金屬氧化物的一氧化碳傳感器是目前應用最廣的一氧化碳氣體傳感器。但是氧化物型傳感器普遍存在能耗高，工作溫度高（200℃-300℃）等缺點，通常通過摻雜貴金屬pd或者pt以提高其靈敏性能，但是成本偏高，不適用大批量生產，也限制了其在一氧化碳傳感器中的商業應用。

技術實現思路

1、本發明的目的是克服現有技術存在的金屬氧化物（mos）類氣體傳感器單一材料氣敏性能差，而貴金屬氣體傳感器摻雜成本高等問題，提供了一種氣體傳感器及其制備方法和應用，該氣體傳感器含有電極基底和涂覆在所述基底表面的釩酸鈷，由于釩酸鈷為二元過渡金屬氧化物材料，相比于單一金屬氧化物氣體傳感器具有更低的工作溫度，工作穩定性良好；該方法通過水熱合成法制備得到所述釩酸鈷，進而得到所述氣體傳感器，所述制備方法操作簡單，相比于現有技術減少了合成釩酸鈷的工藝流程，成本較低易于工業推廣；由所述方法制備得到的所述氣體傳感器對檢測一氧化碳的靈敏度優異，所述傳感器工作溫度較低，穩定性良好。

2、為了實現上述目的，本發明第一方面提供了一種一氧化碳氣體傳感器，所述氣體傳感器包括電極基底和涂覆在所述電極基底表面的釩酸鈷。

3、優選地，所述電極基底選自金電極、金鈦合金電極和叉指電極中的一種。

4、優選的，所述釩酸鈷的粒徑為100-300?nm。

5、優選地，所述釩酸鈷的比表面積為29-38?m2/g。

6、本發明第二方面提供了一種制備一氧化碳氣體傳感器的方法，該方法包括以下步驟：

7、（1）將偏釩酸銨、鈷鹽、堿源和水混合并進行反應；

8、（2）將步驟（1）所得產物固液分離，并將固體產物煅燒；

9、（3）將步驟（2）所得產物涂覆于電極基底表面，再進行老化。

10、優選地，所述鈷鹽選自硝酸鈷、硫酸鈷、醋酸鈷和氯化鈷中的一種或兩種以上。

11、優選地，所述堿源選自氫氧化鈉、氫氧化鉀和氨水中的一種或兩種以上。

12、優選地，所述偏釩酸銨和鈷鹽的摩爾比為1-4:1。

13、優選地，在步驟（1）中，所述反應的條件包括：溫度為120-220?℃，優選為160-200℃；時間為2-18?h，優選為4-16?h。

14、優選地，在步驟（2）中，所述煅燒的條件包括：溫度為400-600?℃，升溫速率為2-4℃/min，時間為2-5?h。

15、優選地，在步驟（1）中，所述混合的具體步驟包括：將偏釩酸銨和鈷鹽分別溶解于水中，然后向所得的偏釩酸銨溶液中滴加堿源，再向所得混合溶液中滴加鈷鹽溶液。

16、優選地，在步驟（1）中，所述偏釩酸銨的濃度為0.1-0.8?mol/l。

17、優選地，在步驟（1）中，所述鈷鹽溶液的濃度為0.1-0.5?mol/l。

18、優選的，在步驟（1）中，所述堿源溶液的濃度為0.2-2?mol/l。

19、優選地，在步驟（1）中，所述滴加堿源后得到的混合溶液的ph為8-10。

20、優選地，在步驟（1）中，滴加鈷鹽溶液的速度為1-3滴/s。

21、優選地，在步驟（3）中，所述老化的條件包括：溫度為40-60?℃，電流為20-40?ma，時間為20-72?h。

22、本發明第三方面還提供了一種前文所述的方法制備得到的氣體傳感器。

23、本發明第四方面還提供了一種前文所述的方法制備得到的氣體傳感器在檢測一氧化碳中的應用。

24、相比于現有技術，本發明至少具有以下優點：

25、（1）本發明中，所述氣體傳感器含有電極基底和涂覆在所述基底表面的釩酸鈷，釩酸鈷為二元過渡金屬氧化物材料，能夠提高所述氣體傳感器在應用中電子、離子的導電性，法拉第反應的可逆性以及循環穩定性等，同時，釩酸鈷具備多變的晶體結構、多金屬間的協同效應及界面效應，由此，所述氣體傳感器相比于單一金屬氧化物氣體傳感器具有更低的工作溫度，且對一氧化碳響應靈敏度優異，工作穩定性良好；

26、（2）本發明中，所述方法通過水熱合成法制備得到釩酸鈷，進而得到所述氣體傳感器，所述制備方法沒有使用表面活性劑或者模板，相比于現有技術減少了合成釩酸鈷的工藝流程，操作簡單，成本較低，易于工業推廣；相比于現有技術，由所述方法制備得到的釩酸鈷結構均一、比表面積較大，能夠進一步提高釩酸鈷對一氧化碳響應的靈敏度，降低工作溫度。

27、（3）本發明中，由所述方法制備得到的所述氣體傳感器對一氧化碳靈敏度優異，工作溫度較低，且穩定性良好，在優選實施方式中，所述氣體傳感器在120?℃、500ppm?co的環境下，對一氧化碳的響應高達349.1%，且穩定性良好，同時相比于二氧化碳以及還原性氣體甲烷，所述傳感器的選擇性較好。

技術特征：

1.一種氣體傳感器，其特征在于，所述氣體傳感器包括電極基底和涂覆在所述電極基底表面的釩酸鈷。

2.根據權利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于，所述電極基底選自金電極、金鈦合金電極和叉指電極中的一種。

3.根據權利要求1或2所述的氣體傳感器，其特征在于，所述釩酸鈷的粒徑為100-300nm；

4.一種制備氣體傳感器的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，所述鈷鹽選自硝酸鈷、硫酸鈷、醋酸鈷和氯化鈷中的一種或兩種以上；

6.根據權利要求4或5所述的方法，其特征在于，在步驟（1）中，所述反應的條件包括：溫度為120-220?℃，優選為160-200?℃；時間為2-18?h，優選為4-16?h。

7.根據權利要求4-6中任意一項所述的方法，其特征在于，在步驟（2）中，所述煅燒的條件包括：溫度為400-600?℃，升溫速率為2-4?℃/min，時間為2-5?h。

8.根據權利要求4-7中任意一項所述的方法，其特征在于，在步驟（1）中，所述混合的具體步驟包括：將偏釩酸銨和鈷鹽分別溶解于水中，然后向所得的偏釩酸銨溶液中滴加堿源，再向所得混合溶液中滴加鈷鹽溶液。

9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，所述偏釩酸銨的濃度為0.1-0.8?mol/l；

10.根據權利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述滴加堿源后得到的混合溶液的ph值為8-10；

11.根據權利要求4-10中任意一項所述的方法，其特征在于，在步驟（3）中，所述老化的條件包括：溫度為40-60?℃，電流為20-40?ma，時間為20-72?h。

12.由權利要求4-11中任意一項所述的方法制備得到的氣體傳感器。

13.權利要求1-3中任意一項所述的氣體傳感器或權利要求12所述的氣體傳感器在檢測一氧化碳中的應用。

技術總結
本發明涉及氣體傳感器與元件技術領域，公開了一種氣體傳感器及其制備方法和應用。該氣體傳感包括有電極基底和涂覆在所述電極基底表面的釩酸鈷；該制備方法包括以下步驟：將偏釩酸銨、鈷鹽、堿源以及水混合并進行反應；將所得產物固液分離，并將固體產物煅燒；再將所得產物涂覆于電極基底表面，再進行老化。所述氣體傳感器相比于單一金屬氧化物氣體傳感器具有更低的工作溫度，且對一氧化碳響應靈敏度優異，工作穩定性良好；所述制備方法沒有使用表面活性劑或者模板，相比于現有技術減少了合成釩酸鈷的工藝流程，操作簡單，成本較低，易于工業推廣。

技術研發人員：劉輝,王獻文,王礎,陶冶,馬悅,許佳歡,陳彥橋,王榮,何鯤,廖海燕,金翼,張玉魁,李堯,劉宇,陳雄,蔣曉平,蘇岳鋒,吳丹
受保護的技術使用者：國家能源集團新能源技術研究院有限公司
技術研發日：
技術公布日：2024/10/21