一种Ti3C2Tx/SnS2纳米材料室温气体传感器制备方法

一种ti3c2t
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/sns2纳米材料室温气体传感器制备方法
技术领域
1.本发明涉及一种室温气体传感器的制备方法，特别是涉及一种ti3c2t
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/sns2纳米材料室温气体传感器制备方法。


背景技术：

2.三甲胺(tma)气体是一种无色、有毒的化合物，具有强烈的鱼腥味，长期暴露于tma气体时，会引起头痛、咳嗽、恶心等不适，甚至在高浓度下会导致组织坏死。新鲜的鱼肉中含有三甲胺氧化物，当鱼肉腐烂时会形成tma。同时，tma也是一种危险的挥发性有机化合物，可与空气形成易爆混合物，对人类的安全构成严重威胁。因此，实现高灵敏度和快速响应的tma检测对于空气质量监测、食品安全和疾病诊断非常重要。
3.过渡金属硫化物(tmds)由于其特有的物理化学性质，已经成为了一类备受关注的新型传感材料。sns2作为一种重要的tmds，所具有的独特晶体结构和优异电学性质为其在气体传感领域的应用提供了有力的支撑。目前报道的纯sns2基气体传感器主要在120 ℃的工作温度下检测二氧化氮(no2)和氨气(nh3)，难以满足室温气体检测的需求。这是因为在室温下sns2材料的导电性相对较差，难以有效感知气体的存在。
4.因此开发一种用于室温下检测tma的高性能sns2气体传感器成为了当前研究的热点。过渡金属碳化物（mxene）作为一种新型的二维层状结构材料以其高比表面积、更多的表面官能团和强导电性受到了广泛关注。据报道，构建mxene/sns2纳米复合材料不仅可以降低工作温度，还可以提高传感器的气敏灵敏度。


技术实现要素：

5.本发明目的是提出一种ti3c2t
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/sns2纳米材料制备方法，本发明通过水热法在ti3c2t
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纳米片表面生长sns2纳米薄片，构建具有2d-2d异质结构的ti3c2t
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/sns2复合材料，并将其用于检测tma气体，以改善单一金属硫化物气体传感器工作温度高、选择性差等问题。
6.本发明的目的是通过以下技术方实现的：一种ti3c2t
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/sns2纳米材料室温气体传感器制备方法，所述方法步骤如下：1）制备ti3c2t
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/sns2纳米复合材料：（1）称取氟化锂溶解在浓盐酸溶液中磁力搅拌30min，将ti3alc2粉末缓慢加入到混合溶液中，水浴中反应24小时；（2）所得悬浮液用去离子水洗涤并离心数次直至ph值大于6，将所得沉淀加入去离子水在氮气气氛下冰浴超声处理1小时；（3）处理后的悬浮液使用低速离心1小时将未完全蚀刻的材料与上清液分离，再将上清液高速离心30分钟，得到的混合物冷冻干燥24小时后获得ti3c2t
x 粉末；（4）将ti3c2t
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粉末分散在乙醇中，在冰浴中超声波处理30 min；（5）将硫代乙酰胺、五水合氯化锡和乙酸加入到上述溶液中，在室温下搅拌30 min；
（6）将混合物转移到一个100 ml的聚四氟乙烯衬里的高压釜中，反应12 h；（7）反应后，收集沉淀物，并用蒸馏水和乙醇洗涤多次；（8）将洗涤后的产物冷冻干燥得到ti3c2t
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/sns2纳米复合材料。
7.2）ti3c2t
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/sns2纳米复合材料作为气体敏感材料制作气体传感器步骤如下：（1）将氧化铝基板的铂丝导线焊接在基座的测量电极上，制得气体传感器元件；（2）取ti3c2t
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/sns2纳米复合材料分散在少量乙醇溶液中，将其滴涂在氧化铝基板上，使其完全覆盖金电极；（3）采用ws-30a气敏测试仪，在室温下测试传感器的气体敏感特性，即可。
8.本发明的优点和有益效果：（1）本发明以一步水热法制备了ti3c2t
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/sn2纳米复合材料，原材料获取方便、制备过程简单，适用于大规模生产。
9.（2）本发明在ti3c2t
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纳米片表面生长sns2纳米薄片，构建了具有2d-2d异质结结构的ti3c2t
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/sns2复合材料，sns2纳米薄片均匀生长在ti3c2t
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纳米片表面，且在sns2薄片间形成了许多孔道并增大材料的比表面积，可有效促进气体吸附和电子转移，强化了材料的气体传感性能。纳米复合材料在室温下可以对tma气体表现出较高的响应、良好的选择性以及长期稳定性的优点。
10.（3）本发明制得的ti3c2t
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/sns2基tma气体传感器，器件工艺简单、体积小，适用于工业化大批量生产。
附图说明
11.图1为产物的xrd谱图；图2为实施例4的扫描电镜图；图3为实施例1的扫描电镜图；图4为实施例2的扫描电镜图；图5为实施例3的扫描电镜图；图6为实施例1和实施例4的1-100 ppm tma气体的动态响应-恢复曲线；图7为实施例1和实施例4的响应值与tma浓度的关系曲线；图8为实施例1气体传感器对10 ppm不同气体的选择性图；图9为实施例1气体传感器对浓度范围0.1
–
5 ppm tma的线性拟合曲线；图10为实施例1气体传感器的稳定性曲线；图11为实施例1气体传感器在不同的湿度下的响应曲线。
实施方式
12.下面结合附图所示实施例对本发明作进一步说明。
13.本发明用水热法在ti3c2t
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纳米片表面生长sns2纳米薄片，构建了具有2d-2d异质结结构的ti3c2t
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/sns2复合材料。所制备的纳米复合材料上sns2纳米薄片均匀生长在ti3c2t
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纳米片表面，且在sns2薄片间形成了许多孔道。将ti3c2t
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/sns2纳米复合材料制备成气体传感器，因其独特的空间结构和较大的比表面积，对tma气体在室温下表现出较高灵敏度、良好的选择性以及长期稳定性。
14.ti3c2t
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/sns2纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：步骤一：称取适量氟化锂溶解在浓盐酸溶液中磁力搅拌30分钟，将适量ti3alc2粉末缓慢加入到混合溶液中，在35 ℃水浴中反应24小时；步骤二：所得悬浮液用去离子水洗涤并离心数次直至ph值大于6，将所得沉淀加入去离子水在氮气气氛下冰浴超声处理1小时；步骤三：处理后的悬浮液使用低速离心1小时将未完全蚀刻的材料与上清液分离，再将上清液高速离心30分钟，得到的混合物冷冻干燥24小时后获得ti3c2t
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粉末；步骤四：将一定量的ti3c2t
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粉末分散在38 ml乙醇中，在冰浴中超声波处理30 min；步骤五：将一定量的硫代乙酰胺、五水合氯化锡和乙酸加入到上述溶液中，在室温下搅拌30 min；步骤六：将混合物转移到一个100 ml的聚四氟乙烯衬里的高压釜中，在一定温度下反应12 h；步骤七：反应后，收集沉淀物，并用蒸馏水和乙醇洗涤多次；步骤八：将洗涤后的反应产物冷冻干燥过夜，得到ti3c2t
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/sns2纳米复合材料。
15.本发明利用ti3c2t
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/sns2纳米复合材料制备气体传感器的步骤：步骤一：将氧化铝基板的铂丝导线焊接在基座的测量电极上，制得气体传感器元件；步骤二：取一定量ti3c2t
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/sns2纳米复合材料分散在少量乙醇溶液中，将其滴涂在步骤一中的氧化铝基板上，使其完全覆盖金电极；步骤三：采用ws-30a气敏测试仪，在室温下测试传感器的气体敏感特性。
实施例1
16.（1）ti3c2t
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/sns2纳米复合材料步骤一：称取1 g氟化锂溶解在浓盐酸溶液中磁力搅拌30分钟，将0.5 g ti3alc2粉末缓慢加入到混合溶液中，在35 ℃水浴中反应24小时；步骤二：所得悬浮液用去离子水洗涤并离心数次直至ph值大于6，将所得沉淀加入去离子水在氮气气氛下冰浴超声处理1小时；步骤三：处理后的悬浮液使用低速离心1小时将未完全蚀刻的材料与上清液分离，再将上清液高速离心30分钟，得到的混合物冷冻干燥24小时后获得ti3c2t
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粉末；步骤四：将18 mg ti3c2t
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粉末分散在38 ml乙醇中，冰浴中超声处理30分钟得到混合溶液；步骤五：将0.563 g 硫代乙酰胺、1.0518 g sncl4·
5h2o和2 ml乙酸加入到上述溶液中，在室温下搅拌30 min；步骤六：将混合物转移到一个100 ml的聚四氟乙烯衬里的高压釜中，在180
°
c下反应12 h；步骤七：将反应后的溶液离心分离获得反应产物，再使用蒸馏水和无水乙醇交替反复洗涤数次；步骤八：将洗涤后的反应产物冷冻干燥过夜，得到3-ti3c2t
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/sns2纳米复合材料。
17.（2）ti3c2t
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/sns2纳米复合材料的结构表征采用xrd粉末衍射仪（xrd, shimadzu xrd-6100）对产物晶体结构进行表征。图1为产物的xrd谱图，物的衍射峰与标准pdf卡片no.41-1445一致，衍射峰尖锐且峰强度高，没有其他杂峰出现，表明其纯度高，结晶性好。ti3c2t
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/sns2纳米复合材料的xrd图谱中没有明显的ti3c2t
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衍射峰。这可能是由于复合材料中ti3c2t
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含量低和纯sns2峰强度较高所致。
18.采用扫描电镜（fesem, zeiss ultra plus）对产物形貌进行表征。纯sns2样品呈现出直径约3 μm左右的纳米花状结构，且纳米花均由纳米薄片组装而成。ti3c2t
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片状结构表面均匀覆盖着sns2纳米薄片且形成均匀的孔道结构。
实施例2
19.（1）ti3c2t
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/sns2纳米复合材料步骤一：称取1 g氟化锂溶解在浓盐酸溶液中磁力搅拌30分钟，将0.5 g ti3alc2粉末缓慢加入到混合溶液中，在35 ℃水浴中反应24小时；步骤二：所得悬浮液用去离子水洗涤并离心数次直至ph值大于6，将所得沉淀加入去离子水在氮气气氛下冰浴超声处理1小时；步骤三：处理后的悬浮液使用低速离心1小时将未完全蚀刻的材料与上清液分离，再将上清液高速离心30分钟，得到的混合物冷冻干燥24小时后获得ti3c2t
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粉末；步骤四：将30 mg ti3c2t
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粉末分散在38ml乙醇中，冰浴中超声处理30分钟得到混合溶液；-步骤五：将0.563 g 硫代乙酰胺、1.0518 g sncl4·
5h2o和2 ml 乙酸加入到上述溶液中，在室温下搅拌30 min；步骤六：将混合物转移到一个100 ml的聚四氟乙烯衬里的高压釜中，在180
°
c下反应12 h；步骤七：将反应后的溶液离心分离获得反应产物，再使用蒸馏水和无水乙醇交替反复洗涤数次；步骤八：将洗涤后的反应产物冷冻干燥过夜，得到5-ti3c2t
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/sns2纳米复合材料。
20.（2）ti3c2t
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/sns2纳米复合材料的结构表征采用xrd粉末衍射仪（xrd, shimadzu xrd-6100）对产物晶体结构进行表征。物的衍射峰与标准pdf卡片no.41-1445一致，说明ti3c2t
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/sns2纳米复合材料纯度高，结晶性好。
21.采用扫描电镜（fesem, zeiss ultra plus）对产物形貌进行表征。sns2样品呈现出纳米花状结构，且纳米花均由纳米薄片组装而成，相比于实施例1纳米薄片数量减少，孔道结构扩大。
实施例3
22.（1）ti3c2t
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/sns2纳米复合材料步骤一：称取1 g氟化锂溶解在浓盐酸溶液中磁力搅拌30分钟，将0.5 g ti3alc2粉末缓慢加入到混合溶液中，在35 ℃水浴中反应24小时；步骤二：所得悬浮液用去离子水洗涤并离心数次直至ph值大于6，将所得沉淀加入去离子水在氮气气氛下冰浴超声处理1小时；
步骤三：处理后的悬浮液使用低速离心1小时将未完全蚀刻的材料与上清液分离，再将上清液高速离心30分钟，得到的混合物冷冻干燥24小时后获得ti3c2t
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粉末；步骤四：将60 mg ti3c2t
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粉末分散在38ml乙醇中，冰浴中超声处理30分钟得到混合溶液；步骤五：将0.563 g 硫代乙酰胺、1.0518 g sncl4·
5h2o和2 ml 乙酸加入到上述溶液中，在室温下搅拌30 min；步骤六：将混合物转移到一个100 ml的聚四氟乙烯衬里的高压釜中，在180
°
c下反应12 h；步骤七：将反应后的溶液离心分离获得反应产物，再使用蒸馏水和无水乙醇交替反复洗涤数次；步骤八：将洗涤后的反应产物冷冻干燥过夜，得到ti3c2t
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/sns2纳米复合材料。
23.（2）ti3c2t
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/sns2纳米复合材料的结构表征采用xrd粉末衍射仪（xrd, shimadzu xrd-6100）对产物晶体结构进行表征。ti3c2t
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/sns2纳米复合材料表现出高纯度、结晶度好。xrd图谱中没有明显的ti3c2t
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衍射峰。
24.采用扫描电镜（fesem, zeiss ultra plus）对产物形貌进行表征。sns2样品呈现出纳米花状结构，且纳米花均由纳米薄片组装而成， ti3c2t
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/sns2纳米复合材料的薄片更少，孔道结构更大。
实施例4
25.（1）sns2纳米材料步骤一：称取0.225 g 二水合氯化亚锡和0.516 g 柠檬酸钠加入到混合溶液中，在室温下剧烈搅拌30分钟，配置成水热合成前驱体反应溶液；步骤二：将水热合成前驱体反应溶液转入100 ml聚四氟乙烯内衬的高压釜中，在180 ℃下反应12小时；步骤三：将反应后的溶液离心分离获得反应产物，再使用蒸馏水和无水乙醇交替反复洗涤数次；步骤四：将洗涤后的反应产物冷冻干燥过夜，得到sns2纳米片。
26.（2）sns2纳米材料的结构表征采用xrd粉末衍射仪（xrd, shimadzu xrd-6100）对产物晶体结构进行表征。sns2纳米材料的衍射峰与ti3c2t
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/sns2纳米复合材料衍射峰一致，衍射峰尖锐且峰强度高，没有其他杂峰出现，表明其纯度高，结晶性好。
27.采用扫描电镜（fesem, zeiss ultra plus）对产物形貌进行表征。sns2样品呈现出直径约3 μm左右的纳米花状结构，且纳米花均由纳米薄片组装而成。
28.以制得的ti3c2t
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/sns2纳米复合材料产物制成气体传感器，进一步研究了传感器的三甲胺响应；为了研究传感器对tma的灵敏度，室温下测试了传感器对浓度从1 ppm至100 ppm三甲胺的响应情况，发现传感器的三甲胺响应气敏性能排序依次为：实施例4《 实施例3《实施例2《 实施例1传感器。图6为实施例1和实施例4的1-100 ppm tma气体的动态响应-恢复曲线，随着三甲胺浓度的增加，响应值增加，实施例1表现出比实施例4更强的响应值，图7为实施例1和实施例4的响应值与tma浓度的关系曲线，tma浓度为10 ppm时，实施例1传感器
的响应值为28.02%，比sns
2 (7.68%)传感器的响应值高出3.6倍，表明实施例1有优异的气敏性能。图8为实施例1在室温下对10 ppm的6种不同气体的响应对比图，表现出对三甲胺气体的灵敏度要远高于其他气体，表现出良好的选择性。为了计算传感器的理论检测限(lod)，使用实施例1传感器对0.1-5 ppm三甲胺气体进行了检测，并对传感器响应与三甲胺浓度的关系进行了线性拟合，图9显示了响应与甲醛浓度之间的近似线性关系，拟合斜率为3.07029 ppm-1
，因此，基于上述方程计算得出理论检测限约为65.87 ppb，表明有实施例1有较低的检测限。对实施例1传感器进行了稳定性测试，图10为30天内传感器对10 ppm三甲胺的响应值，响应值最大偏差小于10%，表明了材料具备良好的长期稳定性。为了进一步研究相对湿度(rh)对实施例1传感器敏感性能的影响，研究了室温下实施例1传感器在不同相对湿度下对10ppm三甲胺气体的响应随相对湿度变化的关系图。图11表明rh低于75%时，传感器的响应随相对湿度的增加而逐渐降低，在rh高于75%时，传感器的响应下降速度变缓，65-85%相对湿度范围内，传感器的响应相对稳定。

技术特征：
1.一种ti3c2t
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/sns2纳米材料室温气体传感器制备方法，其特征在于，所述方法步骤如下：1）制备ti3c2t
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/sns2纳米复合材料：（1）称取氟化锂溶解在浓盐酸溶液中磁力搅拌30min，将ti3alc2粉末缓慢加入到混合溶液中，水浴中反应24小时；（2）所得悬浮液用去离子水洗涤并离心数次直至ph值大于6，将所得沉淀加入去离子水在氮气气氛下冰浴超声处理1小时；（3）处理后的悬浮液使用低速离心1小时将未完全蚀刻的材料与上清液分离，再将上清液高速离心30分钟，得到的混合物冷冻干燥24小时后获得ti3c2t
x 粉末；（4）将ti3c2t
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粉末分散在乙醇中，在冰浴中超声波处理30 min；（5）将硫代乙酰胺、五水合氯化锡和乙酸加入到上述溶液中，在室温下搅拌30 min；（6）将混合物转移到一个100 ml的聚四氟乙烯衬里的高压釜中，反应12 h；（7）反应后，收集沉淀物，并用蒸馏水和乙醇洗涤多次；（8）将洗涤后的产物冷冻干燥得到ti3c2t
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/sns2纳米复合材料；2）ti3c2t
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/sns2纳米复合材料作为气体敏感材料制作气体传感器步骤如下：（1）将氧化铝基板的铂丝导线焊接在基座的测量电极上，制得气体传感器元件；（2）取ti3c2t
x
/sns2纳米复合材料分散在少量乙醇溶液中，将其滴涂在氧化铝基板上，使其完全覆盖金电极；（3）采用ws-30a气敏测试仪，在室温下测试传感器的气体敏感特性，即可。

技术总结
本发明一种Ti3C2T


技术研发人员：张磊 季鸿霖 孟丹 伞晓广 张越
受保护的技术使用者：沈阳化工大学
技术研发日：2023.05.26
技术公布日：2023/9/14