一种基于CNTs@α-Fe2O3异质结复合材料的丙酮气体传感器及其制备方法技术

一种基于CNTs@a‑Fe2O3异质结复合材料的丙酮气体传感器及其制备方法，属于气体传感器技术领域。由外表面带有2个彼此平行且分立的环状金电极的绝缘氧化铝陶瓷管衬底、涂覆在绝缘氧化铝陶瓷管衬底外表面和金电极上的半导体金属氧化物气体敏感材料和置于绝缘陶瓷管内的镍铬合金加热线圈组成，每个金电极上均带有铂丝导线；敏感材料为CNTs和α‑Fe2O3纳米棒复合的异质结分等级结构纳米材料。本发明专利技术所述传感器具有结构简单、价格低廉、体积较小、结实耐用和大批量生产的优点，并且气敏特性的测试结果表明该传感器可对低浓度丙酮进行检测并且具有极佳的长期稳定性，使得其对工业生产中丙酮泄露的检测和报警方面及医疗检测方面有着重要的应用前景。

A CNTs@ alpha based on Fe

A CNTs@a Fe based on

【技术实现步骤摘要】
一种基于CNTs@α-Fe2O3异质结复合材料的丙酮气体传感器及其制备方法
本专利技术属于氧化物半导体气体传感器
，具体涉及一种基于CNTs@α-Fe2O3异质结分等级结构复合材料的丙酮气体传感器及其制备方法。
技术介绍
随着人们对环境污染和工业排放的关注，对有毒有害气体的实时监测得到了极大的重视。其中，半导体氧化物式气体传感器以其优异的性能且方便制造得到了广泛的关注。过去几十年，尽管对于金属氧化物的半导体式气敏特性的研究取得了丰硕的成果，高性能，高选择性的，小尺寸的器件的研究仍是未来的一个挑战。氧化物半导体气体传感器的敏感机理主要是半导体对氧气和目标气体的吸附和它们之间的相互反应引起的半导体电导的变化。因此，材料的形貌、微观结构和晶体尺寸对气敏特性起着十分重要的作用。对于有独特结构和形貌的敏感材料的设计成为了研究人员的主要目标。最近，诸多研究表明相比单一氧化物由不同化学组分构成的异质结氧化物半导体表现出了优异的性能。碳纳米管(CarbonNanotubes,CNTs)以其优异的物理、化学、电学和机械性能一经发现便引起了科研人员的极大兴趣。过去二十年，人们为探索CNTs的应用潜力付诸了巨大的努力。当CNTs的表面吸附不同的气体分子时会引起其电学性质的改变，这也是CNTs作为气体敏感材料的基础。然而，用CNTs作为敏感材料还面临着一些不足，例如对一些气体的吸附能比较低，缺乏选择性，恢复时间长。随着研究的深入，人们发现CNTs的表面缺陷以及残留污染物对其气敏性质有着很大的影响。因此，用不同物质对CNTs进行功能化被认为是改变其化学性质增强其气敏特性的有效手段。尽管贵金属修饰的CNTs表现处优异的敏感特性，由于使用了贵金属本身的催化选择性导致了高昂的成本及有限的监测范围。此外，CNTs和氧化物之间被认为具有协同效应，用氧化物半导体修饰碳纳米管可以提高气体传感器的性能。目前，通过不同途径合成多种CNT基二元材料已经取得了很大进展。例如，Chen等制作的SnO2分散在CNTs表面的混成材料在室温下对NO2，CO和H2在低浓度下表现出了很好的响应。Asad等报道了CuO-SWCNT复合纳米线材料在室温下可以检测浓度低至100ppb的H2S气体。
技术实现思路
本专利技术旨在通过构筑基于CNTs@α-Fe2O3异质结分等级结构复合材料，利用CNTs的大比表面积、纵向导电性，来改变复合材料形貌、晶粒尺寸、提高载流子浓度及形成势垒等，从而克服单一金属氧化物灵敏度低、选择性差的缺点，实现对低浓度丙酮气体的检测。本专利技术首先使用浓硫酸和浓硝酸的混合酸对CNTs进行预处理。市售的CNTs是一种中空结构的管，管两端封闭，且表面粗糙度小，表面不利于晶体成核生长，且在水中分散性很差。故需对其进行预处理，形成缺陷，打开端处，增加表面粗糙度，增加在水中的分散性。然后，以六水合三氯化铁和酸处理后的CNTs作为出发原料，水作为溶剂，利用三氯化铁溶液在升高温度时水解，生成前驱体羟基氧化铁(FeOOH)沉淀。由于CNTs在晶体生长中提供了非均匀成核条件，晶体会在CNTs周围均匀生长，形成CNTs@FeOOH复合材料。而FeOOH在高温下转化成α-Fe2O3晶体，即得到了CNTs@α-Fe2O3异质结分等级结构复合材料。本专利技术所述的是一种基于CNTs@α-Fe2O3异质结分等级结构复合材料的丙酮气体传感器，由外表面带有2个彼此平行且分立的环状金电极的绝缘氧化铝陶瓷管衬底、涂覆在绝缘氧化铝陶瓷管衬底外表面和金电极上的半导体金属氧化物气体敏感材料和置于绝缘陶瓷管内的镍铬合金加热线圈组成，每个金电极上均带有铂丝导线；其特征在于：半导体金属氧化物气体敏感材料为CNTs@α-Fe2O3异质结分等级结构复合材料，且其由如下步骤制备得到，(1)首先配制预处理CNTs的混酸溶液，其中浓硫酸(98wt％)和浓硝酸(68wt％)的体积比为3：1；取0.1～0.3gCNTs(直径为110～170nm，长度为5～9μm)放入30～50mL混合酸中，超声30～60min，在70～100℃下保持4～6h，自然冷却至室温后，过滤，并用去离子水和乙醇交替清洗，将样品标记为F-CNTs，烘干后待用；(2)配制浓度为0.8～1.2M的FeCl3的水溶液，取20～30mLFeCl3水溶液，加入8～15mgF-CNTs，超声10～30min；(3)将步骤(2)超声后的混合液置入80～90℃水浴加热5～10h，自然冷却至室温后，离心，并用乙醇和去离子水交替清洗离心产物，将离心得的沉淀烘干，即得到CNTs@FeOOH复合材料；(4)将步骤(3)得到的CNTs@FeOOH复合材料在400～450℃下烧结5～8h，即得到CNTs@α-Fe2O3异质结分等级结构复合材料，其中α-Fe2O3为棒状，长度为110～180nm，直径为40～80nm。本专利技术提供了一种基于CNTs@α-Fe2O3异质结分等级结构复合材料的丙酮气体传感器的制备方法。器件为旁热式气体传感器，其结构如图4所示。市售的陶瓷管长4mm，外径1.2mm，内径0.8mm，其外表面靠近两端带有一对彼此分立的金电极，每个电极连接了两根铂线，该传感器的制备步骤如下：(1)将制备得到的CNTs@α-Fe2O3异质结分等级结构复合材料分散在去离子水中，形成黏糊状浆料；(2)用毛刷沾取该浆料涂覆在绝缘氧化铝陶瓷管及金电极表面形成一层厚膜，200～300μm，烘干后在350～450℃下烧结2～5h；(3)然后将镍铬合金加热线圈置入绝缘氧化铝陶瓷管中，并将绝缘氧化铝陶瓷管焊接在六角管座上，从而得到基于CNTs@α-Fe2O3异质结分等级结构复合材料的丙酮气体传感器。本专利技术所述的旁热式丙酮气体传感器利用CNTs@α-Fe2O3异质结分等级结构复合材料作为敏感材料。其机理为：首先，氧化处理的CNTs表面化学吸附氧含量增加，使得复合材料比单一α-Fe2O3纳米材料具有更高的化学氧吸附含量，而化学吸附氧含量增加可以使其灵敏度增高。其次，在这种分等级结构中，CNTs作为骨架，α-Fe2O3纳米棒垂直于CNTs表面均匀分布，组成一种棒刺状结构，具有较大的比表面积，所以增大了目标气体分子与氧气分子反应的接触面积，使敏感材料的利用率大大增加；另一方面，独特的异质结结构也会帮助改善器件的气体敏感特性。通过理论分析可以得出结论，敏感材料的阻值强烈依赖于其内部晶体界面处的势垒。我们所合成的材料，CNTs与α-Fe2O3纳米棒之间的接触形成异质结接触势垒，增加了势垒高度，使反应过程中材料电阻变化较大，从而有助于气敏特性的提高；这三方面的共同作用大幅提高了传感器的灵敏度。同时，本专利技术所采用的异质结构CNTs@α-Fe2O3棒刺状材料的合成方法环保，成本低廉；制作的旁热式器件工艺简单，体积小，利于工业上批量生产，因此在医疗检测，工业安全控制等方面有广阔的应用前景。附图说明图1为本专利技术的CNTs酸处理前的SEM图，其中(a)图为放大倍数9000倍，(b)图的放大倍数为20000倍，(c)图的放大倍数为220000倍；图中1指CNTs封闭的端口。图2为本专利技术的CNTs酸处理后的SEM图，其中(a)图为放大倍数20000倍，(b)图的放大倍数为65000倍,(c)图的放大倍数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于CNTs@α‑Fe

【技术特征摘要】
1.一种基于CNTs@α-Fe2O3异质结复合材料的丙酮气体传感器，由外表面带有2个彼此平行且分立的环状金电极的绝缘氧化铝陶瓷管衬底、涂覆在绝缘氧化铝陶瓷管衬底外表面和金电极上的半导体金属氧化物气体敏感材料和置于绝缘陶瓷管内的镍铬合金加热线圈组成，每个金电极上均带有铂丝导线；其特征在于：半导体金属氧化物气体敏感材料为基于CNTs@α-Fe2O3异质结分等级结构复合材料，且其由如下步骤制备得到，(1)首先配制预处理CNTs的混酸溶液，其中浓硫酸和浓硝酸的体积比为3：1；取0.1～0.3gCNTs放入30～50mL混合酸中，超声30～60min，在70～100℃下保持4～6h，自然冷却至室温后，过滤，并用去离子水和乙醇交替清洗，将样品标记为F-CNTs，烘干后待用；(2)配制浓度为0.8～1.2M的FeCl3的水溶液，取20～30mLFeCl3水溶液，加入8～15mgF-CNTs，超声10～30min；(3)将步骤(2)超声后的混合液置入80～9...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙鹏，代明军，刘凤敏，高原，周鑫，卢革宇，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22