一种高响应室温电位型硫化氢传感器及其制备方法

本发明涉及气体传感器探测领域，具体是一种高响应室温电位型硫化氢传感器及其制备方法。

背景技术：

1、硫化氢(h2s)是一种常见的有毒有害气体，广泛存在于石油、化工和生物等领域。一般来说，少量的h2s就会对人体和环境造成很大的危害。职业安全与健康管理总局(osha)规定工业生产场所h2s的8小时时间加权平均暴露限值为20ppm。因此，为了人员安全保障和环境保护，迫切需要高灵敏地检测低浓度硫化氢。

2、混合电位型气体传感器因其具有全固态、成本低、坚固耐用和能在很宽的浓度范围内测量等优点而备受关注，是检测硫化氢最广泛的气体传感器之一。但现有的电位型硫化氢传感器仍然具有工作温度高、响应值和灵敏度低的问题，无法在低温下有效地检测低浓度硫化氢。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高响应室温电位型硫化氢传感器，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种高响应室温电位型硫化氢传感器，包括敏感电极、参比电极、zn2+掺杂nasicon型固体电解质、加热陶瓷板和铂丝导线；所述zn2+掺杂nasicon型固体电解质安装在加热陶瓷板上，所述敏感电极和参比电极位于zn2+掺杂nasicon型固体电解质的表面。

4、作为本发明进一步的方案：所述敏感电极1由二氧化锡纳米纤维电极材料制成。

5、为实现上述目的，本发明提供如下另一种技术方案：

6、一种zn2+掺杂nasicon型固体电解质的制备方法，其包括如下步骤：

7、步骤s11、合成zn2+掺杂nasicon型电解质粉末；

8、步骤s12、将zn2+掺杂nasicon型电解质粉末研磨，然后加入适量pva溶液研磨1.5-2.5h，最后取0.4-0.5g粉末10mpa压力下压制成形并在1100-1250℃下烧结8-12h制得zn0～3-nasicon固体电解质。

9、作为本发明再进一步的方案：所述步骤s11、合成zn2+掺杂nasicon型电解质粉末的制备方法，其包括如下步骤：

10、步骤s111、按照体积比0.717：1：1称取去离子水、硅酸四乙酯和无水乙醇，将其混合并在50℃下恒温搅拌1h后生成硅胶。

11、步骤s112、根据摩尔比称取一定量硝酸氧锆、硝酸钠、磷酸氢二铵和锌源，将其分别融入去离子水中，以获得硝酸氧锆溶液、硝酸钠溶液、磷酸氢二铵溶液和锌源溶液；将所述硅胶滴入硝酸氧锆溶液中在50℃下继续搅拌0.5h，以获得混合溶液；

12、步骤s113、将硝酸钠溶液、磷酸氢二铵溶液和锌源溶液滴入混合溶液中，并在70℃继续搅拌4-6h，得到凝胶；

13、步骤s114、将凝胶依次进行烘干、研磨、煅烧、研磨、压片、煅烧和研磨处理，以获得zn2+掺杂nasicon型电解质粉末。

14、作为本发明再进一步的方案：所述锌源为醋酸锌或硝酸锌两者中任一种。

15、作为本发明再进一步的方案：所述步骤s114、将凝胶依次进行烘干、研磨、煅烧、研磨、压片、煅烧和研磨处理，以获得zn2+掺杂nasicon型电解质粉末，具体步骤包括：

16、将凝胶在80-150℃烘干12h，随后研磨，于400℃下煅烧4h，随后研磨、压片，于900℃下煅烧9h，最后，对烧结的陶瓷片进行再次研磨，得到zn2+掺杂nasicon型电解质粉末。

17、为实现上述目的，本发明提供如下另一种技术方案：

18、一种高响应室温电位型硫化氢传感器的制备方法，其包括如下步骤：

19、步骤s21、制备zn2+掺杂nasicon型固体电解质；

20、步骤s22、制备参比电极；

21、步骤s23、制备敏感电极；

22、步骤s24、将两根pt丝用点状ag浆分别粘在二氧化锡纳米纤维敏感电极和参比电极中间位置上作为电极引线；

23、步骤s25、将固体电解质的下表面和带有加热元件的陶瓷板进行组装，得到器件。

24、作为本发明再进一步的方案：所述制备参比电极，包括具体如下步骤：

25、将上述制备的zn2+掺杂nasicon型固体电解质上表面的一端使用第一原料浆制作一层直径约为3mm、15μm厚的参比电极，然后将zn2+掺杂nasicon型固体电解质基片置于140-160℃烘箱25-35min，使铂浆中的有机溶剂挥发完全，再将固体电解质在900-1100℃煅烧25-35min，即在固体电解质上形成参比电极2。

26、作为本发明再进一步的方案：所述步骤s23、制备敏感电极，包括如下步骤：

27、步骤s231、通过静电纺丝法制备获得二氧化锡纳米纤维电极材料；

28、步骤s232、将松油醇和乙基纤维素按质量比5-13:1混合，获得改性松油醇；称取二氧化锡纳米纤维电极材料，滴加所述改性松油醇，然后充分研磨0.6-1.4h，获得二氧化锡纳米纤维电极浆料；

29、步骤s233、将制备的二氧化锡纳米纤维电极浆料涂覆在固体电解质上，与所述参比电极在固体电解质的同一面，然后置于120-180℃保温20-40min，使电极浆料中的有机溶剂挥发完全，再将固体电解质在550-650℃煅烧3.5-4.5h，形成二氧化锡纳米纤维敏感电极。

30、作为本发明再进一步的方案：所述步骤s25、将固体电解质的下表面和带有加热元件的陶瓷板进行组装，得到器件包括具体如下步骤：

31、使用无机粘合剂，将zn2+掺杂nasicon固体电解质的下表面与同样尺寸的加热氧化铝陶瓷板进行粘结；即完成电位型硫化氢传感器的制作。

32、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

33、1、相比于未掺杂nasicon型电解质为固体电解质制备的电位型硫化氢传感器，本发明以zn2+掺杂nasicon型电解质为固体电解质，显著地提升了对硫化氢的响应值，在25℃下对10ppm硫化氢的响应值提高了6.93倍；与现有的最先进的电位型硫化氢传感器相比，本发明也具有更低的工作温度，更高的响应值和灵敏度，在低浓度硫化氢检测中更具优势。

34、2、本发明中的zn2+的掺杂量可调，通过改变醋酸锌和硝酸氧锆的添加量可以轻易调控zn2+的掺杂量，改进固体电解质的离子电导率，进一步改进传感器对硫化氢的敏感特性，以简单有效的方法实现了对硫化氢的室温、高响应、高灵敏检测。

35、3、本发明中涉及的电位型硫化氢传感器为平板型结构，主要部件仅包括敏感电极、参比电极、固体电解质和陶瓷加热板等，其结构简单、制作工艺难度低，并且易于微型化、集成化，有利于批量生产和实际应用。

技术特征：

1.一种高响应室温电位型硫化氢传感器，其特征在于，敏感电极、参比电极、zn2+掺杂nasicon型固体电解质、加热陶瓷板和铂丝导线；所述zn2+掺杂nasicon型固体电解质安装在加热陶瓷板上，所述敏感电极和参比电极位于zn2+掺杂nasicon型固体电解质的表面。

2.根据权利要求1所述的一种高响应室温电位型硫化氢传感器，其特征在于，所述敏感电极由二氧化锡纳米纤维电极材料制成。

3.一种zn2+掺杂nasicon型固体电解质的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种zn2+掺杂nasicon型固体电解质的制备方法，其特征在于，所述步骤s11、合成zn2+掺杂nasicon型电解质粉末的制备方法，其包括如下步骤：

5.根据权利要求3所述的一种zn2+掺杂nasicon型固体电解质的制备方法，其特征在于，所述锌源为醋酸锌或硝酸锌两者中任一种。

6.根据权利要求3所述的一种zn2+掺杂nasicon型固体电解质的制备方法，其特征在于，所述步骤s114、将凝胶依次进行烘干、研磨、煅烧、研磨、压片、煅烧和研磨处理，以获得zn2+掺杂nasicon型电解质粉末，具体步骤包括：

7.一种高响应室温电位型硫化氢传感器的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种高响应室温电位型硫化氢传感器的制备方法，其特征在于，所述制备参比电极，包括具体如下步骤：

9.根据权利要求7所述的一种高响应室温电位型硫化氢传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤s23、制备敏感电极，包括如下步骤：

10.根据权利要求7所述的一种高响应室温电位型硫化氢传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤s25、将固体电解质的下表面和带有加热元件的陶瓷板进行组装，得到器件包括具体如下步骤：

技术总结本发明适用于气体传感器探测领域，提供了一种高响应室温电位型硫化氢传感器及其制备方法；该高响应室温电位型硫化氢传感器，包括敏感电极、参比电极、Zn2+掺杂NASICON型固体电解质、加热陶瓷板和铂丝导线；所述Zn2+掺杂NASICON型固体电解质安装在加热陶瓷板上，所述敏感电极和参比电极位于Zn2+掺杂NASICON型固体电解质的表面。本发明以Zn2+掺杂NASICON型电解质为固体电解质，显著地提升了对硫化氢的响应值，在25℃下对10ppm硫化氢的响应值提高了6.93倍；与现有的最先进的电位型硫化氢传感器相比，本发明也具有更低的工作温度，更高的响应值和灵敏度，在低浓度硫化氢检测中更具优势。技术研发人员：张红,朱浩威,聂士斌,刘艳青,朱跃龙,赵冬月受保护的技术使用者：安徽理工大学技术研发日：技术公布日：2024/9/29