一种基于调控热解温度生成油菜花粉衍生碳材料制备高性能室温气体传感器及其制备方法

本发明涉及气体传感器，具体涉及一种基于调控热解温度所生成的油菜花粉衍生碳材料制备高性能室温气体传感器。该传感器可应用于工业生产、大气环境、仓储物流等多领域的乙二醇气体检测。

背景技术：

1、气体传感器近年来已广泛应用于空气质量监测、工业气体检测、国防安全、食品质量管控及疾病诊断等领域，成为保障安全与健康的关键技术工具。乙二醇作为重要的化工原料，广泛用于聚酯生产、汽车防冻等领域，是一种无色、无臭、具甜味的粘稠液体。然而，它具有一定毒性，在人体内可代谢为乙醇醛、草酸等有害物质，口服可能引发昏迷、急性肾衰竭。皮肤接触或吸入高浓度蒸气会刺激皮肤与呼吸道，长期接触还可能导致慢性损害。因此，急需研发一种高性能的乙二醇气体的传感器。

2、近年来，生物质衍生的碳气敏材料得到科研人员的广泛关注。生物质作为广泛存在的绿色可再生资源，是替代传统化石能源的重要选择。经过深入研发，以废弃生物质为原料生产功能材料，不仅降低了其随意处置造成的生态负担，还在能源存储和环境治理等领域彰显出显著应用潜力。因此，生物质碳材料在气体传感器的领域中也被广泛应用。根据目前研究可以发现，生物碳气体传感器具有选择性好，灵敏度高，稳定性好等一些优点。并且其原料来源于天然废弃物，兼具环保性与低成本特性，且可在室温下工作，能耗极低。

3、本发明针对上述问题，提出基于调控热解温度所生成的油菜花粉衍生碳材料制备高性能室温气体传感器的解决方案。通过调控热解温度，成功制备出多孔橄榄核状结构的气敏材料。扫描电镜的表征结果显示，清晰呈现出表面密集且均匀的多孔构造，孔径细节层次分明。进一步揭示crfp-5具有纳米级精细孔隙网络，孔洞相互贯通，孔壁形态连续。从结构特征来看，多孔球形构造为气体分子提供了丰富的吸附位点，这一特性使传感器在低浓度气体环境中仍能有效捕获目标分子，从而提升对目标气体的检测灵敏度并缩短响应时间。透射电镜的表征结果显示材料均呈现不规则的多级层状结构，图中均匀分布的白色圆点为孔隙截面，与扫描电镜观察到的多孔特征完全一致。saed图像呈现连续光晕，证实材料为非晶态结构。同时与xrd测试结果共同显示了该材料的非晶特性。此外crfp-4、crfp-5和crfp-6样品中衍射峰位为20.859°、26.64°、36.546°、42.452°、50.14°、59.96° 和68.143°，所对应的是sio2的特征峰，分别对应(100)、(011)、(110)、(200)、(112)、(211)和(203)晶面，这与生物质本身所具有的si含量有关。并且通过存在明显的衍射峰得出crfp中的sio2应为定形。而且据报道，sio2的存在有利于气敏性能。样品中也检测到了kcl的成分，其衍射峰分别为28.414°、40.619°、58.794°、66.569° 和 73.908°，分别对应(200)、(220)、(400)、(420) 和 (422)晶面。为进一步探究材料表面官能团，对 crfp-4、crfp-5、crfp-6进行傅里叶变换红外光谱分析，在3330.56 cm⁻¹ 附近的宽峰归属于羟基（-oh）的伸缩振动，1842.34 cm⁻¹ 处的峰归因于羰基（c=o）伸缩振动，1081.79 cm-1附近和1025.23 cm-1附近的特征峰与c-o键伸缩振动相关，1547.56 cm⁻¹ 附近处峰归属于的 c=c 伸缩振动，868.56cm⁻¹附近的峰归因于 c-h 键的弯曲振动。502.43 cm⁻¹ 处对应于 si-o-si 基团的减振。

4、实验数据表明，crfp-5传感器的选择性突出。室温（25 ℃）条件下，在传感器对500ppm c2h6o2、nh3、c2h8n2、c3h9n、c5h9no、ch2o等6种气体的气敏性能测试中，其对c2h6o2气体具有突出的选择性传感能力。crfp-5传感器在室温下对500 ppm c2h6o2气体的响应值达到3420，响应/恢复时间为7.85/83.73 s，线性范围覆盖10-80 ppm，拟合方程为y=0.055x+1.825，r2=0.99。crfp-5优异的气敏性能优异归因于载流子浓度与缺陷结构协同作用、表面吸附氧含量、sio2本身所具有的多孔结构和提供了更多活性位点，共同促进了crfp-5 传感材料在室温下对乙二醇的优异气敏性能。

5、鉴于此，本发明提出了一种创新性方案。通过调控热解法成功制备了具有多孔橄榄核状结构的crfp-5材料，并测试了其气敏性能。这一发明方案将生物质衍生碳材料作为气敏材料应用于气体传感领域，拓宽了该类材料的研究领域，延伸了该类材料的研究方向，同时也填补了高性能室温下c2h6o2气体检测的技术缺口，具有十分可观的、广阔的实际应用前景。该传感器在工业生产与存储安全方面：监测乙二醇生产装置、储罐、管道的泄漏，避免气体积聚引发爆炸或中毒风险；汽车与交通运输方面：检测汽车防冻液（含c2h6o2）的泄漏，尤其适用于新能源汽车、货车等大型车辆的冷却系统故障预警；环保与尾气监测方面：监测工业尾气、废水处理过程中c2h6o2的挥发排放，确保符合环保排放标准。其性能突破为有毒气体的室温精准监测提供了高效技术路径，兼具安全生产防护、环境风险管控与人员健康保障的多重价值。

技术实现思路

1、本发明公开了基于调控热解温度所生成的油菜花粉衍生碳材料制备高性能室温气体传感器及其方法。通过调控热解温度，制备得到了具有多孔橄榄核状结构的crfp-5。根据气敏测试结果，crfp-5传感器在室温条件下在6种气体分析物中对c2h6o2气体表现出优异的选择性，其对500 ppm c2h6o2气体的响应强度达到3420，响应及恢复时间分别为7.85 s和83.73 s，检测线性范围为10-80 ppm。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、气敏材料及传感器的制备方法：

4、a.称取15 g油菜花粉（rfp），每5 g放入三个瓷舟当中；

5、b.将瓷舟当中的rfp放入三温区管式炉，通入n2，煅烧温度分别设定为400℃、500℃和600℃，升温速率为1分钟上升5℃，保温两个小时;

6、c.待反应完成降至室温，收集黑色粉末产物，将炭化完成的样品分别命名crfp-4、crfp-5和crfp-6。

7、本发明申请提供了一种调控热解温度生成的油菜花粉衍生碳材料制备高性能室温气体传感器及其方法，按照上述方法制备得到。

8、本发明有益技术效果

9、（1）本发明通过材料设计与工艺创新，实现了基于crfp-5的c2h6o2气体传感器的突破性技术效果。通过调控热解温度，制备得到了具有多孔橄榄核状结构的crfp-5，制备出尺寸均匀、具有粗糙表面以及多级孔结构分布、气体传感性能优异的气敏材料，实现了室温条件下对c2h6o2气体的高性能响应。

10、（2）本发明通过微调控热解温度制备的crfp-5材料呈现出清晰呈现出表面密集且均匀的多孔构造，并且具有纳米级精细孔隙网络，孔洞相互贯通，孔壁形态连续。这些特性为c2h6o2气体分子提供了丰富的吸附位点，同时也促进了气体分子在材料结构中的扩散。首先，在选择性方面，crfp-5传感器在室温（25 ℃）条件下对c2h6o2气体表现出十分显著的选择性响应，远高于对nh3、c2h8n2、c3h9n、c5h9no和ch2o等5种气体的响应值。crfp-5传感器在室温（25 ℃）下对500 ppm c2h6o2气体的响应值达到3420，响应及恢复时间分别为7.85 s和83.73 s。同时，crfp-5传感器在10-80 ppm范围内对hcl气体呈现出优异的线性响应，拟合方程为y=0.055x+1.825，r2=0.99。传感器在室温下呈现出的优异性能，使其可集成至便携式检测终端与工业在线监测系统中，监测乙二醇生产装置、储罐、管道的泄漏，避免气体积聚引发爆炸或中毒风险，检测汽车防冻液（含c2h6o2）的泄漏，以及监测工业尾气、废水处理过程中c2h6o2的挥发排放，确保符合环保排放标准。