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1、精品论文纳米 Al2O3 对催化传感器灵敏度的影响1李雪花，胡俊利，王虎，李晓 中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州（221008） E-mail: snowly8527摘要：采用溶胶-凝胶法制备催化传感器的载体 Al2O3，呈纳米粒的结构，使催化传感器的灵敏度得到明显的提高。分析其原因主要是：粒状结构的 Al2O3 比表面积大，使催化剂 Pt和 Pb 在载体表面容易被俘获；同时，高比表面积带来的高表面能使粒子表面原子极其活跃，很容易与周围的气体反应，也容易吸附气体。因此，纳米催化剂载体更有利于甲烷的燃烧放热反应，从而提高催化传感器的输出灵敏度。关键词：传感器；灵敏度；纳米材料；Al2O3
2、0. 前言在煤矿生产安全中，用于检测瓦斯气体的催化传感器起到了不可替代的作用。甲烷发生 氧化反应一般在 9001000，但是在催化传感器上，甲烷氧化反应只需 450500，其原 因是催化剂角、棱等凸起的位置（即活性中心）吸附甲烷，引起分子的变形和活化，降低反 应的活化能，因而反应得以在低温下实现。它经过扩散吸附反应脱附扩散过程，并 放出大量的反应热。反应热使检测元件温度升高，电阻增大，通过检测电桥使输出电压信号 增大。因此催化传感器的灵敏度与被测可燃气体的吸附和催化反应有关。目前，纳米技术应用到了催化领域。研究表明，纳米粒子（或膜）的高比面积与高活性 可以显著地增进催化效率，提高催化传感器的灵
3、敏度，降低工作温度。催化传感器主要结构 包含金属氧化物Al2O3，当催化剂俘获反应物时，氧化铝起“支撑”的作用，与分布在表面的 催化剂Pt和Pb一起构成传感器。纳米氧化铝的催化功能是纳米氧化铝新用途中极为重要的一 种，通过改变氧化铝结构，能使待反应物容易被俘获，从而改善催化传感器的性能。1. 实验本实验用溶胶-凝胶法制备纳米氧化铝材料。溶胶-凝胶法是将金属纯盐溶解于有机溶剂 中,通过蒸馏醇盐水解、聚合、形成溶胶，溶胶随着水的加入变成凝胶。凝胶在真空状态下 低温干燥，得到疏松的干凝胶，再将干凝胶进行高温煅烧处理即可制得粒度为几十纳米的Al2O3 粉末。该法制得的 Al2O3 粉末粒度小，且粒度分
4、布窄 1 具体方法如下： 将薄水铝石（ -AlOOH）与去离子水混合并在持续搅拌下加热到82，在搅拌0.5h后按一定比例加入1.6M的硝酸解胶。在形成溶胶以后，保持82继续搅拌约6h左右制得浓度 为1M的溶胶。将得到的溶胶放在3低温条件下干燥。最后将得到的凝胶样品在540下焙 烧12h得到氧化铝材料。我们用所制备的纳米 Al2O3 与普通的高纯 Al2O3，分别制得了纳米催化传感器 A 和普通催化传感器 B。将 A、B 两种传感器分别接入检测电桥，加上工作电压，稳定工作 24 小时 后，通入 1.0的甲烷进行灵敏度实验。通过实验得：接入传感器 B 的电路输出电压仅为23mV，而接入传感器 A
5、的电路输出电压达到 31Mv，灵敏度提高了 40左右。1本课题得到江苏省自然科学基金项目“纳米载体和催化剂对催化传感器影响机理的研究”（BK2005017），国家自然基金重点项目“煤矿瓦斯传感技术和预警系统基础理论与关键技术研究”（50534050）的资助。- 4 -2. 实验结果分析21 纳米氧化铝分析纳米材料的比表面积可以用乙醇吸附法测定。在相对压力为0.050.35内使用BET吸附 公式，根据每一个吸附质乙醇分子在多孔固体表面上占有的面积及吸附乙醇的重量,可以计 算多孔固体的比表面积S 2 。孔径分布的测定在OMNISORP-100CX型全自动物理/化学吸附仪（Coulter公司）上完成
6、。通过实验，测得了经过焙烧后得到了氧化铝材料的比表面积在 192.50/ m2g 1 、孔体积2 30.28 mL g 1 、孔径分布在 3.0-6.8/ nm 、晶形为 Al O等数据。图1 氧化铝材料的孔径分布图Figure1 Pore size distribution of alumina material图1是所制得到的氧化铝材料的孔径分布图。该图表明在经过540焙烧以后能够得到 中孔分布集中的纳米氧化铝材料，其孔径分布主要集中在4nm左右。从图1和实验数据表明这种制备方法可以制得比表面积较大，中孔分布集中的纳米氧化 铝材料。同时，由于用溶胶凝胶法制备的前驱体溶胶的粒度分布比较均匀使
7、得由它制得的材料 具有良好的规整性和均一的孔结构，因此，以薄水铝石为原料制备的中孔氧化铝有较好的热 稳定性3 。2.2 纳米载体对催化传感器灵敏性的影响分析甲烷气体在催化传感器表面的氧化反应有两个条件，一是较高的温度，一是催化剂的作 用。温度越高，甲烷的氧化反应越激烈，输出信号越大。同样，催化剂的活性对化学反应速 度也有一定的影响。Pt、Pd 是催化传感器的催化剂，Pt、Pd 对各种常见燃料的燃烧均具有很 好的完全氧化活性。比如在检测甲烷气体时，在催化剂的作用下，其传感器表面的催化反应 是：CH 4 + O2 CO + CH CH + O2 CO + H 2 O CO + O2 CO2其高活性
8、来自于金属状态的原子对 OO、CH 较强的活化能力，表面活化使得原本稳定的分子结构形成应性能较强的自由基，从而触发链反应。催化传感器在长时间工作后，之所以灵敏度下降，其根本就是催化传感器的活性降低，不能可靠地反映被测气体。因此催化剂的活性越高，传感器的灵敏度越大。 纳米材料催化剂载体的特性首先表现在其活性上。由于纳米粒子的直径逐渐接近原子直径时，表面原子的数目及作用不能忽略，这时粒子的比表面积、表面能和表面结合能都会发 生很大变化。如图 2 所示，当粒子小于 10nm 时，表面原子占总原子的百分数急剧增加， 单位质量粒子表面积增大，表面原子数目骤增。高比表面积带来的高表面能使粒子表面原子极其活
9、跃，很容易与周围的气体反应，也容易吸附气体 1 。用溶胶凝胶法制备的纳米氧化 铝催化剂载体 Al2O3 的比表面积远大于普通催化剂载体的比表面积，所以这种催化剂载体 更有利于表面的催化反应。图2 表面原子数与主体原子数占总原子数的比例 与微粒直径的关系刘海燕，凌立成4 等人采用以以石油焦为原料、KOH 为活化剂制得的高比表面积活性 炭作为吸附剂,研究了甲烷在这种活性炭上的吸附行为,探讨了活性炭的比表面积和孔结构与 其甲烷吸附性能的关系。结果发现,活性炭的比表面积和孔结构是决定其甲烷吸附性能的主 要因素。实验证明，比表面积低的普通催化剂载体,孔分布太宽,吸附储存甲烷的量也相对较 低。催化剂载体对
10、甲烷的吸附量随着载体比表面积的增大也呈增大的趋势。因此高比表面积 的催化剂载体具有很强的活性有可能是天然气吸附储存的良好材料。3. 结论采用溶胶-凝胶法制备催化传感器的载体 Al2O3，使催化传感器的灵敏度得到明显的 提高。分析其原因粒状结构的 Al2O3 比表面积大，具有较强的吸附甲烷气体和催化剂的 能力。有利于甲烷的燃烧放热反应，催化传感器的温度也随之升高，最后反映为催化传 感器的阻值增大，输出信号增大，从而提高催化传感器的输出灵敏度。参考文献1 吴志鸿, 纳米氧化铝的制备及其在催化领域的应用. 工业催化,2004-02 ,12 (2) :36-39 2 赵虹,商连弟,刘毅等.比表面积简易
11、测定法, 无机盐工业, 2002 - 05 ,34 (3):43-453 姚楠,熊国兴,盛世善等. 溶胶凝胶法制备中孔分布集中的氧化铝催化材料J, 燃料化学学报（增刊）,2001,.29（8）:80-824 刘海燕,凌立成,刘植昌,乔文明,刘朗. 甲烷在高比表面积活性炭上吸附行为的初步研究 天然气化工,1999,24:6-9Study on the sensitivity of catalytic sensor withAl2O3 nanostructure carrierLi Xuehua, Hu Junli, Wang Hu, Li XiaoSchool of Information an
12、d Electrical Engineering, China University ofMining and Technology(221008)AbstractThe nano alumina with granular structure could offer the sensors carrier with high specific surface areaand more active surface atoms, so the distributing of the catalyst Pt and Pd on carrier surface became more approp
13、riate and the air around can be absorbed and reacted with easily. In this article, the sensitivity of catalytic sensor was studied by the nano alumina carrier prepared by the sol-gel method.A remarkable improvement of 40was obtained in the experiment.Keywords: sensor; sensitivity; nanomaterial; Al2O3
