一種基于NiO/ZnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米花敏感材料的丙酮傳感器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體氧化物氣體傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于N1/ZnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米花敏感材料的丙酮?dú)怏w傳感器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]丙酮在工業(yè)上不僅可以作為生產(chǎn)炸藥、塑料、橡膠的重要溶劑，還是用作合成烯酮、碘仿、環(huán)氧樹脂等物質(zhì)的重要原料。然而，類似于其他有機(jī)溶劑，它具有易燃、易揮發(fā)的特點(diǎn)，遇明火、高熱極易燃燒爆炸。而且，丙酮不僅具有較大的火災(zāi)危險(xiǎn)性，還對(duì)人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)具有麻醉作用，高濃度時(shí)甚至?xí)?dǎo)致人昏迷和死亡。因此，對(duì)于丙酮?dú)怏w的檢測(cè)具有十分重要的意義。
[0003]在種類眾多的氣體傳感器中，以半導(dǎo)體氧化物為敏感材料的電阻型氣體傳感器具有靈敏度高、檢測(cè)下限低、選擇性好、響應(yīng)和恢復(fù)速度快、制作方法簡(jiǎn)單、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最廣泛的氣體傳感器之一。隨著納米科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，將氣敏材料調(diào)控成納米結(jié)構(gòu)能夠極大地提高材料的比表面積，增加活性位點(diǎn)，可以使氣敏特性得到改善。另外，通過(guò)使兩種氣敏材料相結(jié)合，利用它們之間的協(xié)同效應(yīng)可以使得氣敏材料得到進(jìn)一步改性，從而獲得更好的氣敏特性。
[0004]ZnO是一種寬禁帶的η型半導(dǎo)體材料，由于其無(wú)毒，制作方法簡(jiǎn)單等被廣泛應(yīng)用在氣體傳感方面。然而，盡管許多不同形貌、具有大比表面積和活性位點(diǎn)密度的ZnO材料被研制出來(lái)，但大多數(shù)ZnO在檢測(cè)VOC(揮發(fā)性有機(jī)化合物)氣體時(shí)，都表現(xiàn)出了較低的靈敏度和較高的檢測(cè)溫度。因此，利用N1的催化氧化能力，對(duì)于ZnO材料進(jìn)一步改性，從而提升其氣敏性能至關(guān)重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種基于N1/ZnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米花敏感材料的丙酮?dú)怏w傳感器及其制備方法。
[0006]利用N1/ZnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米花作為敏感材料，一方面ZnO的三維結(jié)構(gòu)使得材料疏松、分散性好，為MO的修飾提供了好的基體形貌，有利于氣體的傳輸和檢測(cè)；另一方面N1納米顆粒具有較強(qiáng)的氧化性，且對(duì)多種VOC氣體都具有催化氧化的能力，所以會(huì)引起更多的氧分子參與反應(yīng);此外，N1和ZnO之間由于費(fèi)米能級(jí)的不同會(huì)形成大量的異質(zhì)結(jié)，這些異質(zhì)結(jié)的出現(xiàn)會(huì)提供更多的反應(yīng)活性位點(diǎn)。這三方面的共同作用大幅提高了氣體與敏感材料的反應(yīng)效率，進(jìn)而提高了傳感器的靈敏度。本發(fā)明所采用的市售的管式結(jié)構(gòu)傳感器制作工藝簡(jiǎn)單，體積小，利于工業(yè)上批量生產(chǎn)，因此具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
[0007]本發(fā)明所述的基于N1/ZnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米花敏感材料的丙酮?dú)怏w傳感器，由外表面帶有兩條平行、環(huán)狀且彼此分立的金電極的陶瓷管襯底、涂覆在陶瓷管外表面和金電極上的敏感材料、置于陶瓷管內(nèi)的鎳鉻合金加熱絲組成；其特征在于:敏感材料為N1/ZnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米花，且由如下步驟制備得到:
[0008](I)ZnO納米花的制備
[0009]①首先將I?3g的Zn(CHfOO)2.2H20溶于100?150mL的去離子水當(dāng)中，并保持不斷地?cái)嚢柚敝疗淙咳芙?再緩緩向其加入3?5mL的氨水直至溶液澄清；
[0010]②把上述溶液轉(zhuǎn)移到恒溫水浴鍋中，在60?90°C下保持30?90分鐘后取出，自然冷卻至室溫后將生成的沉淀用去離子水和乙醇多次離心清洗，然后在室溫下干燥后再在400?500°C下煅燒I?2小時(shí)，從而得到了由ZnO納米顆粒組裝而成的ZnO納米花粉末；
[0011](2)Ni0/Zn0異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米花的制備
[0012]①取30?50mg上述ZnO納米花粉末加入至丨」5?1mL乙醇中，超聲并攪拌10?30分鐘使得ZnO納米花粉末完全分散在乙醇中；然后再加入8?1mg Ni(NO3)2.6H20，在室溫下攪拌至乙醇基本揮發(fā)完畢；
[0013]②將上述干燥粉末收集并在在500?550°C下煅燒2?4小時(shí)，從而得到以ZnO納米花為主干、N1納米顆粒均勾附著在ZnO表面的N1/ZnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米花粉末；
[00?4]本發(fā)明所述的一種基于Ni 0/ZnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米花敏感材料的丙酮?dú)怏w傳感器的制備方法，其步驟如下:
[0015]①將N1/ZnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米花粉末與去離子水按質(zhì)量比3?5:1混合，并研磨形成糊狀漿料，然后蘸取少量漿料均勻地涂覆在市售的外表面自帶有2個(gè)環(huán)形金電極的Al2O3陶瓷管表面，形成10?30μηι厚的敏感材料薄膜，陶瓷管的長(zhǎng)為4?4.5mm，外徑為1.2?1.5mm,內(nèi)徑為0.8?1.0mm，并使敏感材料完全覆蓋環(huán)形金電極；
[0016]②在紅外燈下烘烤30?45分鐘，待敏感材料干燥后，把Al2O3陶瓷管在400?450°C下煅燒2?3小時(shí);然后將電阻值為30?40 Ω的鎳鎘加熱線圈穿過(guò)Al2O3陶瓷管內(nèi)部作為加熱絲，最后將上述器件按照通用旁熱式氣敏元件進(jìn)行焊接和封裝，從而得到N1/ZnO氧化物半導(dǎo)體丙酮傳感器。
[0017]本發(fā)明制備的基于N1/ZnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米花敏感材料的丙酮?dú)怏w傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0018]1.利用簡(jiǎn)單的水浴法和浸漬法在低溫下就可制備分等級(jí)納米材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)，合成方法簡(jiǎn)單，成本低廉；
[0019]2.通過(guò)在ZnO納米花上生長(zhǎng)N1，將兩種材料相結(jié)合，提高了對(duì)丙酮的靈敏度，降低了材料的最佳工作溫度，且具有快速的響應(yīng)恢復(fù)速度和良好的重復(fù)性，在檢測(cè)丙酮含量方面有廣闊的應(yīng)用前景；
[0020]3.采用市售管式傳感器，器件工藝簡(jiǎn)單，體積小，適于大批量生產(chǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1:Ni0/Zn0異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米花的SEM形貌圖，其中(a)圖的放大倍數(shù)為5000倍，(b)圖的放大倍數(shù)為30000倍；
[0022]圖2:ZnO納米花和N1/ZnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米花的XRD圖；
[0023]圖3:基于N1/ZnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米花敏感材料的丙酮傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖4:對(duì)比例和實(shí)施例中傳感器在不同工作溫度下對(duì)10ppm丙酮?dú)怏w的靈敏度曲線；
[0025]圖5:對(duì)比例和實(shí)施例中傳感器在各自最佳工作溫度下對(duì)10ppm丙酮?dú)怏w的響應(yīng)恢復(fù)曲線；
[0026]圖6:對(duì)比例和實(shí)施例中傳感器在各自最佳工作溫度下的靈敏度-丙酮濃度特性曲線。
[0027]如圖1所示，(a)圖中可以看出Ni0/Ζη0異質(zhì)結(jié)構(gòu)為花狀納米結(jié)構(gòu)，分散性良好；(b)圖中看出N1/ZnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米花以ZnO納米花為主干，N1納米粒子均勾分布在納米花上。納米花的直徑約為2?3μηι ；
[0028]如圖2所示，Ni 0/Ζη0異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米花的XRD譜圖出現(xiàn)Ni O和ZnO的特征峰，說(shuō)明樣品包含N1和ZnO晶體;ZnO納米花則為純相ZnO結(jié)構(gòu)；
[0029]如圖3所示，器件由Al2O3陶瓷管I，半導(dǎo)體敏感材料2，鎳鎘合金線圈3，環(huán)形金電極4和鉑線5組成；
[0030]如圖4所示，對(duì)比例和實(shí)施例的最佳工作溫度分別為350°C和300°C，此時(shí)器件對(duì)10ppm丙酮的靈敏度分別為5.1和23.5;
[0031]如圖5所示，當(dāng)器件各自工作在最佳工作溫度、丙酮?dú)怏w濃度為10ppm下，對(duì)比例和實(shí)施例均具有良好的重復(fù)性；
[0032]如圖6所示，當(dāng)實(shí)施例器件在工作溫度為300°C下，器件的靈敏度隨著丙酮濃度的增加而增大，實(shí)施例對(duì)1