本發(fā)明屬于室溫氣體傳感材料，具體涉及一種cu-btc/梧桐絮生物質(zhì)炭復(fù)合材料的制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、二氧化氮(no2)是一種有毒有害的大氣污染物，不僅腐蝕工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備，縮短其使用壽命，還可能引發(fā)嚴(yán)重的呼吸系統(tǒng)疾病。no2在環(huán)境中常與其他氣體共存，這些氣體分子極易與氣體傳感材料表面產(chǎn)生相互作用，影響傳感器的選擇性。有效的環(huán)境監(jiān)測(cè)和健康保護(hù)首先需要高效而便捷的檢測(cè)手段及檢測(cè)設(shè)備，因此，開發(fā)能在室溫條件下高選擇性高靈敏度的no2氣體傳感器具有重要的實(shí)用意義。

2、氣體傳感器作為智能傳感器的一種，在智能傳感領(lǐng)域扮演著重要角色，化學(xué)電阻式氣體傳感器以低功耗、低成本和高靈敏度的有害氣體檢測(cè)推動(dòng)了氣體傳感領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展?，F(xiàn)有的氣體傳感主要通過化學(xué)吸附和物理吸附兩種形式來檢測(cè)氣體，化學(xué)吸附通過形成共價(jià)鍵來增強(qiáng)傳感響應(yīng)和選擇性，但這種結(jié)合方式可能導(dǎo)致不可逆的化學(xué)變化；物理吸附雖適用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)但存在穩(wěn)定性不足和缺乏選擇性的問題。因此，探索高選擇性和高靈敏度兼容的氣體傳感材料具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

3、金屬有機(jī)骨架材料(mofs)因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能性，在氣體傳感領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。mofs納米材料的結(jié)構(gòu)多樣性和大比表面積為氣體分子提供了大量的吸附位點(diǎn)，這有助于提高傳感器的靈敏度和選擇性。通過調(diào)控mofs納米材料的孔徑和幾何形狀，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定氣體分子的選擇性吸附，從而增強(qiáng)傳感器的特異性。盡管mofs納米材料在氣體傳感方面具有巨大的潛力，但mofs納米材料化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性相對(duì)較差，導(dǎo)致其在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨挑戰(zhàn)。此外，mofs納米材料的合成成本較高，合成過程復(fù)雜，易堆積且孔徑較小可能導(dǎo)致氣體傳質(zhì)阻力較大，限制了傳感效率。鑒于此，極大地阻礙了mofs納米材料在氣體傳感器領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是要解決現(xiàn)有mofs納米材料的合成成本較高，合成過程復(fù)雜，易堆積且孔徑較小可能導(dǎo)致氣體傳質(zhì)阻力較大，限制了傳感效率的問題，而提供一種cu-btc/梧桐絮生物質(zhì)炭復(fù)合材料的制備方法和應(yīng)用。

2、本發(fā)明提供一種基于主客體耦合構(gòu)建策略的具有特殊分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)的cu-btc/梧桐絮生物質(zhì)炭復(fù)合材料的制備方法及其應(yīng)用。本發(fā)明制備條件要求低、操作簡(jiǎn)單、能耗低、對(duì)環(huán)境友好，所得氣體傳感材料兩組分間具有緊密的界面結(jié)合，具有優(yōu)良的室溫no2氣體傳感性能及穩(wěn)定性，且復(fù)合材料的物相和形貌結(jié)構(gòu)易于調(diào)控，為高效的室溫no2氣體傳感材料的開發(fā)應(yīng)用提供重要的技術(shù)支持。

3、一種cu-btc/梧桐絮生物質(zhì)炭復(fù)合材料的制備方法，具體是按以下步驟完成的：

4、一、制備多孔薄層管狀結(jié)構(gòu)的梧桐絮多孔炭：

5、①、對(duì)收集的梧桐絮進(jìn)行清洗，再烘干，得到預(yù)處理后的梧桐絮；

6、②、將預(yù)處理后的梧桐絮浸泡在naoh溶液中，室溫?cái)嚢枰欢螘r(shí)間，然后靜置浸漬一段時(shí)間，再干燥，最后在炭化氣氛下升溫至煅燒溫度，在煅燒溫度下煅燒一段時(shí)間，得到反應(yīng)產(chǎn)物；

7、③、對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行洗滌，再干燥，得到多孔薄層管狀結(jié)構(gòu)的梧桐絮多孔炭；

8、二、制備cu-btc/梧桐絮生物質(zhì)炭復(fù)合材料：

9、①、將銅鹽溶解到去離子水中，得到溶液??；

10、②、將有機(jī)配體和聚乙烯吡咯烷酮加入到n,n-二甲基甲酰胺和無水乙醇的混合液中，先超聲處理，再磁力攪拌，得到溶液ⅱ；

11、③、將溶液ⅰ和溶液ⅱ混合，得到混合溶液；將多孔薄層管狀結(jié)構(gòu)的梧桐絮多孔炭浸入到混合溶液中，靜置一段時(shí)間，再轉(zhuǎn)移到聚四氟乙烯內(nèi)襯不銹鋼高壓反應(yīng)釜中，再在80℃～120℃下加熱10h～12h，冷卻至室溫，洗滌，再離心，收集離心后的沉淀物，最后干燥，得到cu-btc/梧桐絮生物質(zhì)炭復(fù)合材料。

12、一種cu-btc/梧桐絮生物質(zhì)炭復(fù)合材料用于制備氣敏元件。

13、本發(fā)明的原理：

14、本發(fā)明提供一種簡(jiǎn)單的溶劑熱的方法，制備一種生物質(zhì)炭錨定cu-btc的復(fù)合材料及其在室溫條件下對(duì)no2氣體傳感的應(yīng)用；本發(fā)明通過簡(jiǎn)單的方法制備cu-btc材料，以解決mof基材料尺寸可控性的問題；本發(fā)明提供一種簡(jiǎn)單的熱處理方法，以梧桐絮為原料制備一種多孔管狀生物質(zhì)炭，以解決生物質(zhì)炭大量微孔阻礙氣體分子擴(kuò)散的問題；本發(fā)明通過客體生物質(zhì)炭錨定主體cu-btc的復(fù)合材料，對(duì)cu-btc材料加以支撐和分散，獲得具有較大比表面積和豐富活性位點(diǎn)的氣體傳感材料，增加了待測(cè)氣體與傳感材料的接觸，縮短載流子的傳輸路徑，提高氣體傳感的靈敏度和選擇性。

15、本發(fā)明具有以下有益效果：

16、(1)、本發(fā)明提供的cu-btc/梧桐絮生物質(zhì)炭復(fù)合材料具有生物質(zhì)形態(tài)的多孔分級(jí)納米管狀結(jié)構(gòu)，多孔分級(jí)納米結(jié)構(gòu)能夠有效降低工作溫度，獲得更高的no2氣體靈敏度和響應(yīng)速度；

17、(2)、本發(fā)明提供的cu-btc/梧桐絮生物質(zhì)炭復(fù)合材料中cu-btc為有機(jī)金屬骨架納米材料，形成由正六面體的金屬骨架材料結(jié)構(gòu)，xrd衍射峰細(xì)高說明材料的結(jié)晶度較好，因此增加了其抗外界環(huán)境的干擾能力，使得其性能穩(wěn)定；

18、(3)、本發(fā)明提供的cu-btc/梧桐絮生物質(zhì)炭復(fù)合材料和純cu-btc作為氣體傳感材料用于檢測(cè)空氣中的no2氣體，不需要加熱系統(tǒng)，在室溫下即可檢測(cè)，工作溫度低，操作條件溫和；

19、(4)、本發(fā)明提供的cu-btc/梧桐絮生物質(zhì)炭復(fù)合材料作為氣體傳感材料用于檢測(cè)空氣中的no2氣體，可以在室溫即20℃～35℃、濕度為20％～50％的條件下操作，在此條件下，該復(fù)合材料對(duì)濃度為50ppm的no2氣體的靈敏度高達(dá)39.54，對(duì)濃度低至0.03ppm的no2氣體的靈敏度為1.27，氣敏傳感性能優(yōu)異；敏感膜從注入50ppm到1ppm時(shí)no2氣體時(shí)電阻開始變化到其電阻完全穩(wěn)定所用的時(shí)間均小于20s，響應(yīng)速度快，且在無外界作用下，吸附可逆性好，使用方法簡(jiǎn)單；

20、(5)、本發(fā)明提供的cu-btc/梧桐絮生物質(zhì)炭復(fù)合材料的制備方法操作簡(jiǎn)單，成本低廉，便于推廣。

技術(shù)特征：

1.一種cu-btc/梧桐絮生物質(zhì)炭復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述制備方法具體是按以下步驟完成的：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種cu-btc/梧桐絮生物質(zhì)炭復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟一①中使用無水乙醇對(duì)收集的梧桐絮進(jìn)行清洗2次～4次，再60℃～80℃下干燥10h～12h；步驟一②中所述的naoh溶液的濃度為0.5mol/l～3mol/l；步驟一②中將預(yù)處理后的梧桐絮浸泡在naoh溶液中，室溫?cái)嚢?h～2h，然后靜置浸漬8h～10h，再在60℃～80℃下干燥10h～12h。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種cu-btc/梧桐絮生物質(zhì)炭復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟一②中所述的炭化氣氛為空氣、氮?dú)饣驓鍤?；步驟一②中在炭化氣氛下以5℃/min～10℃/min的升溫速率從室溫升溫至300℃～450℃，在300℃～450℃下煅燒30min～240min；步驟一③中使用去離子水對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行洗滌至中性，再60℃～80℃下干燥10h～12h，得到多孔薄層管狀結(jié)構(gòu)的梧桐絮多孔炭。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種cu-btc/梧桐絮生物質(zhì)炭復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟二①中所述的銅鹽為硝酸銅或硫酸銅；步驟二①中所述的銅鹽的質(zhì)量與去離子水的體積比為(2.5g～4.5g):30ml。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種cu-btc/梧桐絮生物質(zhì)炭復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟二②中所述的有機(jī)配體為1,4-苯二甲酸、1,3,5-苯三甲酸或1,2-二甲基咪唑；步驟二②中所述的聚乙烯吡咯烷酮的分子量為58000、24000或1300000；步驟二②中所述的n,n-二甲基甲酰胺和無水乙醇的混合液中n,n-二甲基甲酰胺和無水乙醇的體積比為(20～50):(20～50)。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種cu-btc/梧桐絮生物質(zhì)炭復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟二②中所述的有機(jī)配體、聚乙烯吡咯烷酮和n,n-二甲基甲酰胺和無水乙醇的混合液的質(zhì)量體積比為(1g～2g):(1g～2g):60ml；步驟二②中所述的超聲處理的時(shí)間為5min～10min，磁力攪拌的時(shí)間為15min～60min，磁力攪拌的速度為500r/min～800r/min。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種cu-btc/梧桐絮生物質(zhì)炭復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟二③中所述的溶液ⅰ和溶液ⅱ的體積比為1:2；步驟二③中所述的靜置的時(shí)間為10h～12h；步驟二③中所述的洗滌為依次使用去離子水和無水乙醇洗滌2次～4次；步驟二③中所述的干燥的溫度為60℃～80℃，干燥的時(shí)間為5h～10h。

8.如權(quán)利要求1所述的制備方法制備的一種cu-btc/梧桐絮生物質(zhì)炭復(fù)合材料的應(yīng)用，其特征在于一種cu-btc/梧桐絮生物質(zhì)炭復(fù)合材料用于制備氣敏元件。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種cu-btc/梧桐絮生物質(zhì)炭復(fù)合材料的應(yīng)用，其特征在于一種cu-btc/梧桐絮生物質(zhì)炭復(fù)合材料用于制備氣敏元件具體是按以下步驟完成的：將cu-btc/梧桐絮生物質(zhì)炭復(fù)合材料加入到無水乙醇中，超聲分散，得到分散均勻的懸濁液；將分散均勻的懸濁液旋涂在au叉指電極上，在室溫下晾干，得到氣敏元件；所述的cu-btc/梧桐絮生物質(zhì)炭復(fù)合材料的質(zhì)量與無水乙醇的體積比為(0.01g～0.05g):(0.3ml～1.0ml)；分散均勻的懸濁液的體積與au叉指電極的表面積比為(0.03ml～0.15ml):0.25cm2。

10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的一種cu-btc/梧桐絮生物質(zhì)炭復(fù)合材料的應(yīng)用，其特征在于所述的氣敏元件在室溫下用于檢測(cè)空氣中低濃度的no2氣體，檢測(cè)下限低至30ppb。

技術(shù)總結(jié)
一種Cu?BTC/梧桐絮生物質(zhì)炭復(fù)合材料的制備方法和應(yīng)用，它屬于室溫氣體傳感材料技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的目的是要解決現(xiàn)有MOFs納米材料的合成成本較高，合成過程復(fù)雜，易堆積且孔徑較小可能導(dǎo)致氣體傳質(zhì)阻力較大，限制了傳感效率的問題。本發(fā)明采用梧桐絮通過采用化學(xué)活化結(jié)合煅燒工藝制備了梧桐絮多孔炭，這種生物質(zhì)炭材料保留了生物質(zhì)的天然管狀結(jié)構(gòu)，有利于待測(cè)氣體的吸附或擴(kuò)散。本發(fā)明首次采用梧桐絮衍生的生物質(zhì)炭制備出Cu?BTC/梧桐絮生物質(zhì)炭復(fù)合材料，并成功應(yīng)用于NO<subgt;2</subgt;氣敏應(yīng)用解決現(xiàn)有的檢測(cè)NO<subgt;2</subgt;時(shí)靈敏度較低，檢測(cè)極限高，恢復(fù)性差，成本高等的問題。本發(fā)明具有操作簡(jiǎn)便、NO<subgt;2</subgt;傳感效率高的特點(diǎn)。

技術(shù)研發(fā)人員：呂賀,劉茁,孫永開,陳嵐,方歐力
受保護(hù)的技術(shù)使用者：青島濱海學(xué)院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/17