納米材料制備的氣體傳感器對裝飾環(huán)境中乳膠漆化學檢測試驗

馬行娟 徐昌華

摘 要：為了提高裝飾環(huán)境中乳膠漆的檢測靈敏度，制備一種新型的納米材料對乳膠漆中的甲醛進行檢測。對制備的納米材料進行XRD分析、SEM和TEM分析、XPS表征，制備納米材料的氣體傳感器，對氣體傳感器的最佳工作溫度、響應恢復時間、響應度、穩(wěn)定性進行測定，以乳膠漆的甲醛釋放量為研究對象，利用制備的納米材料對環(huán)境中涂刷乳膠漆后的甲醛釋放量進行檢測。結(jié)果表明，試驗制備的Cr2O3納米粒子附著在ZnO表面，形成花瓣形狀；納米材料氣體傳感器最佳工作溫度為280 ℃；2%Cr2O3+ZnO納米材料氣體傳感器的氣敏性檢測效果最佳，該材料可應用于化工檢測領域。

關鍵詞：甲醛釋放量；Cr2O3/ZnO納米材料；傳感器；裝飾環(huán)境

中圖分類號：TQ635.5

文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）11-0087-04

Chemical detection of latex paint in decorative environment by gas sensor made of nanomaterials

MA Xingjuan，XU Changhua

（Shangluo Vocational and Technical College，Shangluo 726000，shaanxi china

）

Abstract：In order to improve the detection sensitivity of latex paint in decorative environment，a new nano material was prepared to detect formaldehyde in latex paint.The prepared nano materials were analyzed by XRD，SEMandTEM，and characterized by XPS;The gas sensor made of nano materials was prepared，and the optimal working temperature，response recovery time，response degree and stability of the gas sensor were measured;Taking the formaldehyde release of latex paint as the research object，the prepared nano materials were used to detect the formaldehyde release of latex paint in the environment.The results showed that the Cr2O3 nanoparticles prepared in this experiment attached to the surface of ZnO，forming a petal shape; The best working temperature of nano material gas sensor was 280 ℃; The gas sensitivity of 2% Cr2O3/ZnO nano material gas sensor was the best，which could be used in the field of chemical testing.

Key words：formaldehyde release;Cr2O3/ZnO nano materials;sensor;decorative environment

環(huán)境裝飾中通常會應用到涂料，涂料中的一些有害氣體如揮發(fā)性有機化合物（VOC）是環(huán)境污染的重要來源［1-2］。雖然在環(huán)境裝飾時通常使用環(huán)保水漆，但是環(huán)保水漆只是相比于油性漆散發(fā)的有害氣體較少，仍然不能真正實現(xiàn)有害氣體的零排放［3-5］，因此，越來越多的學者關注幼兒裝飾環(huán)境中的安全檢測。而研究發(fā)現(xiàn)，金屬氧化物半導體材料傳感器可快速檢測室內(nèi)環(huán)境中VOC氣體含量，但是目前應用的金屬氧化物半導體材料在檢測時對VOC氣體的敏感性低、響應慢［6-8］。因此，為提高金屬氧化物半導體材料對VOC氣體的響應速度，對金屬氧化物半導體材料進行改進，以更好的對幼兒裝飾環(huán)境中甲醛氣體進行檢測，關注幼兒健康。

1 試驗材料

1.1 試驗藥品及儀器

主要試驗藥品：分析純六水合硝酸鋅、分析純氫氧化鈉、分析純乙酰丙酮鉻、分析純碳酸氫銨和分析純無水乙醇，上述試劑均購買于國藥化學試劑、去離子水（實驗室自制）。

主要試驗儀器：磁力攪拌器、電子分析天平、萬用表、智能箱式高溫爐、離心機、傳感器老化臺、智能氣敏分析系統(tǒng)、電熱恒溫干燥箱。

1.2 試驗方法

1.2.1 Cr2O3/ZnO材料合成流程

1）ZnO納米材料的制備流程

利用電子分析天平稱取0.30 g六水合硝酸鋅放置于燒杯中，再加入15 mL去離子水，攪拌至六水合硝酸鋅完全溶解。溶解后再加入質(zhì)量濃度為50 g/L的氫氧化鈉10 mL，攪拌5 min后，溶液先變成乳白色再由乳白色變成澄清溶液，再加入無水乙醇50 mL后再次進行攪拌5 min，攪拌后的溶液變成乳白色，之后乳白色的溶液中加入去離子水和無水乙醇進行離心，共離心5次，離心得到的沉淀進行室溫干燥，干燥時間為12 h，干燥后的產(chǎn)物進行煅燒，煅燒的溫度為500 ℃，煅燒時間為2 h，煅燒之后得到終產(chǎn)物ZnO納米材料［9-11］。

2）Cr2O3改性ZnO納米材料的制備流程

取3個燒杯標號為1、2和3，3個燒杯中均放入適量的制備好的納米材料和20 mL無水乙醇。攪拌至ZnO納米材料完全溶解，之后稱取一定量的Cr（C5H7O2）3和NH4HCO3放于2號和3號燒杯中。3個燒杯均在室溫下進行攪拌10 min，攪拌后將3個燒杯中的溶液分別倒入反應釜中進行反應，反應釜的反應溫度為200 ℃，反應時間為2.5 h［12］。反應結(jié)束后，得到Cr2O3的質(zhì)量分數(shù)分別為0%、2.5%和5%的ZnO納米材料。然后利用去離子水和無水乙醇離心、沉淀和干燥，干燥溫度為60 ℃，干燥時間為12 h。干燥后在溫度為500 ℃下條件下煅燒2 h，得到改性后的ZnO納米材料。

1.2.2 材料的表征

1）XRD分析

將制備得到3種產(chǎn)物通過XRD進行表征，分析納米材料的結(jié)晶度和晶像。XRD分析時以ZnO試樣標品作為標準品對照。

2）XPS表征

對制備得到的納米材料進行XPS表征，通過XPS表征確定納米材料中的Cr元素的狀態(tài)和材料的化學組成成分。

1.2.3 應用納米材料制備氣體傳感器

在研缽中分別摻入質(zhì)量分數(shù)0%、2.5%和5%的Cr2O3的ZnO納米材料和去離子水，納米材料和去離子水按照質(zhì)量比為4∶???????? 1研磨8 min呈漿糊狀物質(zhì)［13-15］，然后將漿糊狀物質(zhì)涂抹在薄壁陶瓷管表面，涂抹的厚度為290 μm，自然干燥后，涂抹材料后的薄壁陶瓷管老化72 h后與Ni-Cr加熱絲、金電極以及起連接作用的4條Pt導線連接得到ZnO納米材料氣體傳感器。器件在空氣中和待測氣體中的阻值分別為Ra和Rg。

1.3 性能測試

1.3.1 基本性能測定

以甲醛氣體的測量為例，將0%、2.5%和5%的Cr2O3的ZnO納米材料分別在230～330 ℃的溫度范圍對甲醛氣體的響應度、響應恢復和飽和度、穩(wěn)定性進行測定。

1.3.2 裝傳感器實際檢測

選取剛涂刷乳膠漆的一間房屋，在涂刷乳膠漆之后的第1、第7、14 d，利用5%Cr2O3的ZnO納米材料氣體傳感器檢測室內(nèi)的甲醛含量；乳膠漆為某品牌的竹炭超亞光凈味五合一。

2 結(jié)果分析

2.1 材料的表征結(jié)果

2.1.1 XRD表征結(jié)果

試驗制備的納米材料表征結(jié)果見圖1。

由圖1可知，3種材料的XRD 圖譜出現(xiàn)多個尖峰，這可以說明制備的納米材料的結(jié)晶度非常高。再通過ZnO試樣標品和制備的ZnO納米材料的圖譜對比可知，2個ZnO試樣的圖譜峰值一一對應。

2.1.2 XPS表征

圖2為5%Cr2O3含量的ZnO納米材料的XPS表征圖。

由圖2可知，制備產(chǎn)物的元素包含Zn、Cr。由此可見，制備的納米材料中沒有雜質(zhì)成分。

2.2 3種材料的氣體傳感器的氣敏性能

1）最佳工作溫度

不同Cr2O3含量的ZnO納米材料在工作溫度為230～330 ℃時對質(zhì)量濃度為5 mg/L的甲醛氣體的響應度見圖3。

由圖3可知，ZnO納米材料對不同溫度的響應變化趨勢一致，溫度越高，3種材料的氣體的響應度逐漸增大，但是超過280 ℃后，隨著溫度的增加，3種材料的的響應度逐漸降低。因此，可確定3種材料的最佳工作溫度一致，均為280 ℃。

2）響應恢復時間

將不同Cr2O3含量的ZnO納米材料放置于不同濃度1 -1 000 ppm甲醛氣體，分析3種材料的氣體傳感器的響應恢復過程。結(jié)果見圖4。

由圖4可知，3種材料的氣體傳感器在不同濃度的甲醛氣體中均能快速響應，并且快速達到最佳響應度。其中2%Cr2O3含量的ZnO納米材料響應時間為4 s，恢復時間為9 s，5%Cr2O3含量的ZnO納米材料的響應時間為5 s，恢復時間為10 s，ZnO納米材料的響應時間為3 s，恢復時間為5 s，說明這3種材料的氣體傳感器監(jiān)測功能良好。

3）響應度測定結(jié)果

將不同Cr2O3含量的ZnO納米材料在最佳的工作溫度下（280 ℃）對不同質(zhì)量濃度1～1 000 mg/L的甲醛進行測定，結(jié)果見圖5。

由圖5可知，隨著甲醛氣體濃度的增加，3種材料的氣體傳感器對甲醛的響應度迅速增加，當甲醛氣體濃度超過200 mg/L后，3種材料的氣體傳感器對甲醛的響應度趨于穩(wěn)定。其中2%Cr2O3含量的ZnO納米材料對甲醛的響應度為4.15，2%Cr2O3含量的ZnO納米材料氣體對甲醛的響應度為3.11，ZnO納米材料氣體傳感器的響應度值最低。

4）3種材料的氣體傳感器的穩(wěn)定性測定

設置甲醛的質(zhì)量濃度5 mg/L，檢測不同Cr2O3含量的ZnO納米材料的穩(wěn)定性。工作溫度設置為280 ℃，結(jié)果見圖6。

由圖6可知，在前10 d，3種材料的氣體傳感器對甲醛的響應度有所降低，但是10 d之后，3種材料的氣體傳感器對甲醛的響應度趨于穩(wěn)定。

其中，ZnO納米材料的穩(wěn)定值為2.61，2% Cr2O3含量的ZnO納米材料氣體傳感器穩(wěn)定值為4.18，5%Cr2O3含量的ZnO納米材料氣體傳感器穩(wěn)定值為3.17。 綜上所述，2%Cr2O3含量的ZnO納米材料的氣敏性檢測效果最佳。

2.3 幼兒園裝飾環(huán)境甲醛檢測

利用2.5%Cr2O3含量的ZnO納米材料氣體傳感器檢測某幼兒園涂刷乳膠漆后的第1、7和14 d室內(nèi)的VOC含量，結(jié)果見表1。

由表1可知，本研究中制備的氣敏傳感器能夠靈敏檢測環(huán)境中的乳膠漆的VOC的釋放量。

3 結(jié)語

（1）制備的納米材料XRD分析、XPS表征，結(jié)果表明，Cr2O3納米粒子附著在ZnO表面形成花瓣形狀；

（2）制備的納米材料的最佳工作溫度、響應恢復時間、響應度、穩(wěn)定性進行測定，得出3種材料制備的氣體傳感器最佳工作溫度均為280 ℃；ZnO納米材料的響應時間最快，為3 s，恢復時間為5 s；2.5%Cr2O3的ZnO納米材料氣體對甲醛的響應度最高，為4.15；2.5%Cr2O3含量的ZnO納米材料氣體傳感器穩(wěn)定值最高，為4.18。2.5%Cr2O3+ZnO納米材料氣體傳感器的氣敏性檢測效果最佳；

（3）利用2.5%Cr2O3+ZnO納米材料傳感器檢測，可實現(xiàn)乳膠漆中第1、7和14 d室內(nèi)的VOC含量的靈敏檢測。

因此，綜上，新裝飾的幼兒環(huán)境不宜長時逗留或居住，以免對幼兒健康造成傷害。

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收稿日期：2023-03-07；修回日期：2023-10-26

作者簡介：馬行娟（1987-），女，講師，主要從事材料檢測及學前教育研究；E-mail：124523574@qq.com。

通信作者：徐昌華（1964-），男，高級實驗師，研究方向：有機化學；E-mail：1656513695@qq.com。

基金項目：商洛職業(yè)技術(shù)學院院級一般課題（項目編號：JYKT202321）。

引文格式：馬行娟，徐昌華.納米材料制備的氣體傳感器對裝飾環(huán)境中乳膠漆化學檢測試驗［J］.粘接，2023，50（11）：87-90.