一种测量气体在敏感材料表面吸附焓的方法

摘要

本发明涉及一种测量气体在敏感材料表面吸附焓的方法，该方法利用场效应晶体管的原理结合格雷厄姆（Grahame）方程的泰勒展开式，在气体浓度很低（0至100ppm）、温度在273K至1500K的条件下，通过测量流经敏感材料的电流与浓度、温度之间的关系，得到气体在敏感材料表面的吸附焓。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量气体在敏感材料表面吸附焓的方法。具体涉及利用场效应晶体管的原理结合格雷厄姆（Grahame）方程的泰勒展开式，在气体浓度很低（0至100ppm）、温度在273K至1500K的条件下，通过测量流经敏感材料的电流与浓度、温度之间的关系，得到气体在敏感材料表面的吸附焓。

背景技术

吸附焓是一个特定的体系的基本表征，对研究吸附体系的平衡特性和动力学特征有重要意义。但是吸附焓的测量比较困难。常用的方法为通过Clausius-Clapyron方程计算、采用容积法测量、程序升温脱附法测量。

当气体在敏感材料表面吸附时，气体在敏感材料表面形成表面电势。表面电势改变敏感材料内部载流子的分布，引起流经敏感材料的电流的改变。电流可利用场效应晶体管的原理结合格雷厄姆（Grahame）方程的泰勒展开式描述，因而，通过测量电流与气体浓度、温度之间的关系计算气体在敏感材料表面的吸附焓。

发明内容

本发明目的在于，提供一种测量气体在敏感材料表面吸附焓的方法，该方法在气体浓度很低（0至100ppm）、温度在273K至1500K的条件下，通过测量流经敏感材料的电流，利用场效应晶体管的原理结合格雷厄姆（Grahame）方程的泰勒展开式，测量气体在敏感材料表面的吸附焓。

本发明所述的一种测量气体在敏感材料表面吸附焓的方法，该方法通过测量流经敏感材料的电流与温度、气体浓度的关系获得气体在敏感材料表面吸附焓,具体操作按下列步骤进行：

a、将敏感材料二氧化钛/石墨烯、二氧化钛、五氧化二钒、硅或氧化锌通过导线与电源、电流表相连，于温度273K-1500K条件下，当电流稳定，记录流经敏感材料的初始电流I₀；

b、于步骤a相应温度273K-1500K下，将体积浓度0-100ppm的气体二氧化氮，一氧化氮、氨气、乙醇或硫化氢通入装有敏感材料的腔室内，当电流稳定，记录通有气体时流经敏感材料的电流I_d；

c、利用场效应晶体管的原理结合格雷厄姆方程的泰勒展开式，根据通有气体时流经敏感材料的电流I_d与初始电流I₀与浓度、温度和敏感材料的禁带宽度的关系，获得气体在敏感材料表面的吸附焓ΔH。

本发明所述的一种测量气体在敏感材料表面吸附焓的方法，该方法中利用场效应晶体管的原理结合格雷厄姆方程的泰勒展开式，按照公式$>I_d/I_0=A\sqrt{T}\exp ((E_g-4\mathrm{\Delta H})/4\mathrm{kT})C+1$>或$>\sqrt{I_d/I_0}=A\sqrt{T}\exp ((E_g-4\mathrm{\Delta H})/4\mathrm{kT})C+1$>对吸附焓进行计算，其中E_g为禁带宽度，C为气体浓度，k为玻耳兹曼常数，A为参数，数据处理具体为：将电流（I_d）与初始电流（I₀）的比值（I_d/I₀）与气体浓度（C）进行线性回归，或将电流（I_d）与初始电流（I₀）的比值的平方根与气体浓度（C）进行线性回归，求得对应温度下的一次项回归系数（a）；将一次项回归系数（a）与温度的平方根的比的自然对数）与温度的倒数（1/T）进行线性回归，得到线性回归系数（b）；将该敏感材料的禁带宽度（E_g）的四分之一减去线性回归系数（b）与玻耳兹曼常数（k）积所得的差，乘以阿佛加德罗常数，为以焦每摩尔（J/mol）为单位的气体在敏感材料表面的吸附焓（ΔH）。

本发明所述的测量气体在敏感材料表面吸附的吸附焓的方法要求气体浓度很低，尤其测量有毒有害的气体在敏感材料表面的吸附焓更为安全。

附图说明

图1为本发明NO₂在二氧化钛/石墨烯复合材料为敏感材料表面吸附的电流图：温度423K；浓度200ppm（十亿分之一，V/V）、100ppm、500ppm；

图2为本发明NO₂在二氧化钛/石墨烯复合材料为敏感材料表面吸附的电流图：温度453K；浓度：100ppm、200ppm、500ppm；

图3为本发明NO₂在二氧化钛/石墨烯复合材料为敏感材料表面吸附的电流图：温度473K；浓度：100ppm、200ppm、500ppm、1000ppm；

图4为本发明NO₂在二氧化钛/石墨烯复合材料为敏感材料表面吸附的电流图：温度493K；浓度：100ppm、200ppm、500ppm、1000ppm；

图5为本发明NO₂在二氧化钛/石墨烯复合材料为敏感材料表面吸附，电流与浓度关系图：—■—表示温度条件为423K；—●—表示温度条件为453K；—▲—表示温度条件为473K；—▼—表示温度条件为493K；

图6为本发明一次项回归系数（a）与温度的平方根的比的自然对数与温度的倒数（1/T）线性回归图.

具体实施方式：

以下结合附图和实施例对本专利进行详细说明：

实施例1

数据采集：

将敏感材料二氧化钛/石墨烯通过导线与电源，电流表相连，在敏感材料上施加电压4.5V，温度（T）423K、453K、473K、493K条件下，当电流稳定，记录流经敏感材料的初始电流（I₀）；

于温度（T）423K、453K、473K和493K条件下，将含有体积浓度为100ppm、200ppm、500ppm、1000ppm的二氧化氮气体通入装有敏感材料的腔室内，当电流稳定，记录通有气体时流经敏感材料的电流（I_d），如图1-4所示；

数据处理：

按照公式$>\sqrt{I_d/I_0}=A\sqrt{T}\exp ((E_g-4\mathrm{\Delta H})/4\mathrm{kT})C+1$>对吸附焓进行计算，具体处理过程为，将电流（I_d）与初始电流（I₀）的比值的平方根与气体浓度（C）进行线性回归，求得对应温度（423K、453K、473K、493K）下的一次项回归系数（a）为：0.00171、0.00113、8.68298*10^-4、6.52469*10^-4，如图5所示；将一次项回归系数（a）与温度的平方根的比的自然对数）与温度的倒数（1/T）进行线性回归，得到线性回归系数（b）为3068.8，如图6所示，将该敏感材料的禁带宽度（E_g=0）的四分之一减去线性回归系数（b）与玻耳兹曼常数（k）的积，所得的差乘以阿佛加德罗常数，为以焦每摩尔（J/mol）为单位的气体在敏感材料表面的吸附焓，ΔH=-3068.8*8.314/1000=-25.51kJ/mol。

实施例2

数据采集：

将敏感材料二氧化钛通过导线与电源，电流表相连，于敏感材料上施加9V电压，温度（T）273K至800K条件下，当电流稳定，记录流经敏感材料的初始电流（I₀）；

于温度（T）273K至800K条件下，将含有体积浓度为0至100ppm的一氧化氮气体通入装有敏感材料的腔室内，当电流稳定，记录通有气体时流经敏感材料的电流（I_d）；

数据处理：

数据处理按实施例1进行，得到吸附焓ΔH=-68.17kJ/mol

实施例3

数据采集：

将敏感材料五氧化二钒通过导线与电源，电流表相连，于敏感材料上施加4V电压，温度（T）273K至850K条件下，当电流稳定，记录流经敏感材料的初始电流（I₀）；

于温度（T）273K至850K条件下，将含有体积浓度为0至100ppm的氨气气体通入装有敏感材料的腔室内，当电流稳定，记录通有气体时流经敏感材料的电流（I_d）；

数据处理按实施例1进行，得到吸附焓ΔH=-88kJ/mol。

实施例4

数据采集：

将敏感材料硅通过导线与电源，电流表相连，于敏感材料上施加较大电压，温度（T）850K至1500K条件下，当电流稳定，记录流经敏感材料的初始电流（I₀）；

于温度（T）850K至1500K条件下，将含有体积浓度为0至100ppm的二氧化氮气体通入装有敏感材料的腔室内，当电流稳定，记录通有气体时流经敏感材料的电流（Id）；

数据处理按实施例1进行，得到吸附焓ΔH=-70kJ/mol。

实施例5

数据采集：

将敏感材料氧化锌通过导线与电源，电流表相连，于敏感材料上施加1mV电压，温度（T）273K至900K条件下，当电流稳定，记录流经敏感材料的初始电流（I₀）；

于温度（T）273K至900K条件下，将含有体积浓度为0至100ppm的乙醇蒸汽通入装有敏感材料的腔室内，当电流稳定，记录通有气体时流经敏感材料的电流（I_d）；

数据处理：

按照公式$>I_d/I_0=A\sqrt{T}\exp ((E_g-4\mathrm{\Delta H})/4\mathrm{kT})C+1$>对吸附焓进行计算，其中E_g为禁带宽度，C为气体浓度，k为玻耳兹曼常数，A为参数，得到吸附焓ΔH=-25.67kJ/mol。

实施例6

数据采集：

将敏感材料氧化锌通过导线与电源，电流表相连，于敏感材料上施加10mV电压，温度（T）273K至473K条件下，当电流稳定，记录流经敏感材料的初始电流（I₀）；

于温度（T）273K至473K条件下，将含有体积浓度为0至100ppm的硫化氢气体通入装有敏感材料的腔室内，当电流稳定，记录通有气体时流经敏感材料的电流（I_d）。

数据处理按实施例5进行，得到吸附焓ΔH=-18kJ/mol。