本發(fā)明屬于材料化學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種鎳摻雜的氧化鋅材料及其在制備氣敏傳感器中的應(yīng)用。

背景技術(shù)：

常溫常壓下，氫氣是一種極易燃燒，無色透明、無臭無味的氣體。氫氣占4％至74％的濃度時(shí)與空氣混合，或占5％至95％的濃度時(shí)與氧氣混合時(shí)是極易爆炸的氣體，在熱、日光或火花的刺激下易引爆。因此，開發(fā)一種靈敏度高、重復(fù)性好的氫氣檢測儀顯得十分重要。

金屬氧化物半導(dǎo)體表面上吸附某些氣體能夠?qū)е掳雽?dǎo)體電阻率的改變，納米金屬氧化物半導(dǎo)體具有穩(wěn)定、可靠和易于獲取等特點(diǎn)，常用于制備石英晶體微天平(quartzcrystalmicrobalance，qcm)的敏感膜材料，qcm是質(zhì)量敏感型檢測器,是氣敏傳感器研究的一大熱點(diǎn)。氧化鋅是典型的n-型半導(dǎo)體材料，禁帶寬度為3.55–3.75ev，其應(yīng)用較為廣泛，尤其是氣體傳感器方面?？茖W(xué)工作者們研究了氧化鋅對不同氣體的敏感性，但是尚未有鎳摻雜的zno對氫氣的響應(yīng)性研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種納米短棒形鎳摻雜氧化鋅材料，其特征在于其sem圖與圖2基本一致。

本發(fā)明提供一種納米短棒形鎳摻雜氧化鋅材料，其特征在于其制備方法如下：將硝酸鋅、硝酸鎳、鄰苯二甲酸氫鉀和氫氧化鈉加入到適量水中攪拌溶解，加熱至回流溫度，回流反應(yīng)6-8小時(shí)后，冷卻至室溫，經(jīng)離心沉降得到固體，固體用蒸餾水洗滌2-3次后，置于50-70℃真空干燥箱中干燥12-16小時(shí)后得到納米短棒形鎳摻雜氧化鋅。其中硝酸鋅、硝酸鎳、鄰苯二甲酸氫鉀和氫氧化鈉的摩爾比為硝酸鋅：硝酸鎳：鄰苯二甲酸氫鉀：氫氧化鈉＝1：1：0.5：2；水的用量為硝酸鋅、硝酸鎳、鄰苯二甲酸氫鉀和氫氧化鈉質(zhì)量之和的10-20倍。

本發(fā)明的另一實(shí)施方案提供一種制備納米短棒形鎳摻雜氧化鋅材料的方法，其特征在于包括如下步驟：

將硝酸鋅、硝酸鎳、鄰苯二甲酸氫鉀和氫氧化鈉加入到適量水中攪拌溶解，加熱至回流溫度，回流反應(yīng)6-8小時(shí)后，冷卻至室溫，經(jīng)離心沉降得到固體，固體用蒸餾水洗滌2-3次后，置于50-70℃真空干燥箱中干燥12-16小時(shí)后得到納米短棒形鎳摻雜氧化鋅。其中硝酸鋅、硝酸鎳、鄰苯二甲酸氫鉀和氫氧化鈉的摩爾比為硝酸鋅：硝酸鎳：鄰苯二甲酸氫鉀：氫氧化鈉＝1：1：0.5：2；水的用量為硝酸鋅、硝酸鎳、鄰苯二甲酸氫鉀和氫氧化鈉質(zhì)量之和的10-20倍。

本發(fā)明的另一實(shí)施方案提供一種納米短棒形鎳摻雜氧化鋅材料在制備氣敏傳感器中的用途。所述氣敏傳感器用于檢測氫氣；所述氣敏傳感器可用于制備氫氣可燃?xì)怏w檢測儀。

本發(fā)明所述水的用量指的是質(zhì)量用量。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：本發(fā)明采用鄰苯二甲酸氫鉀作為結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)劑，通過鄰苯二甲酸氫鉀和氫氧化鈉的協(xié)同作用控制合成鎳摻雜氧化鋅材料，而且本發(fā)明通過對硝酸鋅、硝酸鎳、鄰苯二甲酸氫鉀和氫氧化鈉使用比例的控制，使制備得到的鎳摻雜氧化鋅材料具有納米短棒的形貌，其較其他形貌的鎳摻雜氧化鋅對氫氣檢測靈敏度高、重復(fù)性好。此外，本發(fā)明制備方法無需使用有機(jī)溶劑、原料價(jià)格低廉、操作簡便，易于工業(yè)化生產(chǎn)。

附圖說明

圖1鎳摻雜氧化鋅傳感器檢測裝置示意圖

圖2實(shí)施例1制備得到的納米短棒形鎳摻雜氧化鋅材料的sem圖

圖3實(shí)施例3制備得到的納米纖維形鎳摻雜氧化鋅材料的sem圖

圖4實(shí)施例4制備得到的微米管鎳摻雜氧化鋅材料的sem圖

圖5實(shí)施例5制備得到的微米空心球鎳摻雜氧化鋅材料的sem圖

圖6覆蓋有實(shí)施例1制備得到的納米短棒形鎳摻雜氧化鋅材料薄膜的晶振作為敏感qcm時(shí)檢測氫氣的響應(yīng)圖

圖7覆蓋有實(shí)施例3制備得到的納米纖維形鎳摻雜氧化鋅材料薄膜的晶振作為敏感qcm時(shí)檢測氫氣的響應(yīng)圖

圖8覆蓋有實(shí)施例4制備得到的微米管鎳摻雜氧化鋅材料薄膜的晶振作為敏感qcm時(shí)檢測氫氣的響應(yīng)圖

圖9覆蓋有實(shí)施例5制備得到的微米空心球鎳摻雜氧化鋅材料薄膜的晶振作為敏感qcm時(shí)檢測氫氣的響應(yīng)圖

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1本發(fā)明納米短棒形鎳摻雜氧化鋅材料的制備

稱取硝酸鋅(3mmol)、硝酸鎳(3mmol)、鄰苯二甲酸氫鉀(1.5mmol)和氫氧化鈉(6mmol)加入到25-30ml水中攪拌溶解，加熱至回流溫度，回流反應(yīng)6小時(shí)后，冷卻至室溫，經(jīng)離心沉降得到固體，固體用蒸餾水洗滌2次后，置于50℃真空干燥箱中干燥12小時(shí)后得到納米短棒形鎳摻雜氧化鋅(圖2)。

實(shí)施例2本發(fā)明納米短棒形鎳摻雜氧化鋅材料的制備

稱取硝酸鋅(12mmol)、硝酸鎳(12mmol)、鄰苯二甲酸氫鉀(6mmol)和氫氧化鈉(24mmol)加入到200-240ml水中攪拌溶解，加熱至回流溫度，回流反應(yīng)8小時(shí)后，冷卻至室溫，經(jīng)離心沉降得到固體，固體用蒸餾水洗滌3次后，置于70℃真空干燥箱中干燥16小時(shí)后得到納米短棒形鎳摻雜氧化鋅(形貌與圖2基本一致)。

實(shí)施例3

稱取硝酸鋅(3mmol)、硝酸鎳(3mmol)、鄰苯二甲酸氫鉀(3mmol)和氫氧化鈉(6mmol)加入到25-30ml水中攪拌溶解，加熱至回流溫度，回流反應(yīng)6小時(shí)后，冷卻至室溫，經(jīng)離心沉降得到固體，固體用蒸餾水洗滌2次后，置于50℃真空干燥箱中干燥12小時(shí)后得到納米纖維形鎳摻雜氧化鋅(圖3)。

實(shí)施例4

稱取硝酸鋅(3mmol)、硝酸鎳(3mmol)和氫氧化鈉(6mmol)加入到25-30ml水中攪拌溶解，加熱至回流溫度，回流反應(yīng)6小時(shí)后，冷卻至室溫，經(jīng)離心沉降得到固體，固體用蒸餾水洗滌2次后，置于50℃真空干燥箱中干燥12小時(shí)后得到微米管鎳摻雜氧化鋅(圖4)。

實(shí)施例5

稱取硝酸鋅(3mmol)、硝酸鎳(3mmol)、檸檬酸三鈉(0.5mmol)和氫氧化鈉(6mmol)加入到25-30ml水中攪拌溶解，加熱至回流溫度，回流反應(yīng)6小時(shí)后，冷卻至室溫，經(jīng)離心沉降得到固體，固體用蒸餾水洗滌2次后，置于50℃真空干燥箱中干燥12小時(shí)后得到微米空心球鎳摻雜氧化鋅(圖5)。

實(shí)施例6鎳摻雜氧化鋅對氫氣敏感性的測試

自制測試qcm氣敏傳感器性能所用的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由pc機(jī)、頻率計(jì)、驅(qū)動(dòng)電路、測量氣室、管道及空氣發(fā)生器等組成。測量氣室通過兩個(gè)閥門分別與空氣發(fā)生器和外界環(huán)境相通，且氣室中的驅(qū)動(dòng)電路連有兩個(gè)qcm電極：潔凈的晶振叫作參比qcm及覆蓋有鎳摻雜氧化鋅薄膜(實(shí)施例1-5)的晶振叫作敏感qcm。參比qcm和敏感qcm都在驅(qū)動(dòng)電路的諧振頻率下振動(dòng)，由于旋涂過敏感膜的晶振質(zhì)量與參比電極質(zhì)量不同導(dǎo)致振動(dòng)頻率不同。驅(qū)動(dòng)電路對振蕩輸出的信號進(jìn)行差頻處理，得到頻差信號，頻率計(jì)以1次/秒的速率采集頻差信號的頻率，并把測試數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示測量結(jié)果。

典型的實(shí)驗(yàn)過程：首先，按照需要配置好一定濃度的氫氣。然后按照一定的順序連接好各部分儀器，并連接參比qcm和敏感qcm。在實(shí)驗(yàn)開始后，先用空氣吹掃測量氣室一段時(shí)間，一方面制造實(shí)驗(yàn)過程所需的平衡空氣環(huán)境，另一方面使兩個(gè)振蕩電路間的頻率差達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。等到計(jì)算機(jī)中軟件計(jì)量的頻率差波動(dòng)小于5hz后，視為基線平坦，向氣室中注入一定體積的待測氣體進(jìn)行響應(yīng)測試。過程中始終保持空氣流速不變，待兩個(gè)振蕩電路的差頻絕對值達(dá)到新的穩(wěn)定值(回落到基線位置)一段時(shí)間后，再注入一定體積的待測氣體進(jìn)行響應(yīng)測試。循環(huán)進(jìn)行此操作，使傳感器與高純氮和待測氣體交替接觸。傳感器的響應(yīng)則定義為注入待測氣體前后兩qcm頻率差增加的值。

測試結(jié)果表明，本發(fā)明實(shí)施例1、2制備得到的納米短棒形鎳摻雜氧化鋅對同濃度的氫氣響應(yīng)程度最大，且重復(fù)性好(圖6)。本發(fā)明實(shí)施例1、2制備得到的納米短棒形鎳摻雜氧化鋅可用于制備用于檢測氫氣的氣敏傳感器。