一种基于VO2@ZnO的丙酮气敏传感器的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于VO2@ZnO的丙酮气敏传感器的制备方法，包括以下步骤：VO2纳米棒的制备、ZnO纳米种子表面吸附的VO2纳米棒的制备、表面壳层ZnO纳米棒的生长、涂片。本发明专利技术中所运用的制备工艺要求低，设备简单、易操作，制作工艺成本低，制备的步骤相对独立，适合用于大规模的工业生产。本发明专利技术方法制备的复合结构形貌较均一，具有较大的比表面积，而且在两种材料接触界面形成异质结结构。该VO2@ZnO复合结构气体传感器在室温下对100ppm的丙酮气体有明显的响应，能够实现在室温下对丙酮气体的有效探测，且响应时间短。本发明专利技术所制备的纳米结构在低功耗气敏传感器方向具有较大的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于VO2@ZnO的丙酮气敏传感器的制备方法
本专利技术属于半导体
，涉及一种基于VO2@ZnO复合结构的室温丙酮气敏传感器的制备方法。
技术介绍
丙酮是一种良好的有机溶剂，广泛用于工业生产以及实验室研究。但是丙酮化学性质活泼，在常温下极易挥发，丙酮蒸汽无色并且高度易燃。高浓度的丙酮气体(>10000ppm)对人的眼、鼻、喉有刺激性，大量吸入甚至会造成乏力、恶心、头痛、头晕等中毒症状。另外，丙酮的闪点只有-20℃，沸点只有56.05℃，丙酮气体能与空气形成爆炸性混合物，其爆炸浓度极限为2.5％～12.8％。当空气中丙酮的浓度处在爆炸极限范围内时，即使遇到小火花也能造成威力巨大的爆炸事故。因此发展能够准确、快速探测丙酮气体的高性能传感器具有重大意义。金属氧化物半导体型气敏传感器具有低成本，高灵敏度，易于控制与操作等优点，因而受到越来越广泛的关注。人们所熟知的传统的金属氧化物半导体气敏材料，诸如ZnO，被报道是良好的丙酮敏感材料。尤其像纳米棒和纳米线此类的一维纳米结构，具有较高的比表面积，而且易于进行表面修饰，所以近年来引发了国内外学者的广泛的研究兴趣。一维ZnO基纳米结构虽然能够达到快速、高效检测丙酮气体，但却具有最佳工作温度高(大约200-400℃)的缺点。这给低功耗气敏传感器的发展带来了巨大的挑战。VO2是一种过渡金属氧化物，最近的研究结果显示其在室温探测有害气体方面具有很大的潜力。其中，2015年，Dey等人报道了一维VO2(B)纳米棒室温下对液化石油气的敏感性能。而复合结构往往因为异质结的作用而产生奇异的性能，所以经常用于改善气敏传感器的气敏特性。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种基于VO2@ZnO复合结构的室温丙酮气敏传感器的制备方法，克服传统金属氧化物半导体气敏传感器用于丙酮检测时工作温度高的问题。本专利技术的技术方案是：一种基于VO2@ZnO的丙酮气敏传感器的制备方法，包括以下步骤：(1)VO2纳米棒的制备：以V2O5粉末和草酸二水合物粉末为反应前驱物，称取草酸二水合物粉末，搅拌溶解在去离子水中配成无色透明溶液；称取V2O5粉末加入到上述溶液中继续搅拌，直到形成绿色透明溶液；将得到的溶液转移到聚四氟乙烯内衬中，装到反应釜外壳中，将反应釜放置于干燥箱中，设置180℃反应24-36h；待反应结束后，自然冷却到室温，用离心机分离出黑色沉淀产物，分别用去离子水和无水乙醇清洗数次；(2)ZnO纳米种子表面吸附的VO2纳米棒的制备：取洁净的烧瓶，水浴条件下在烧瓶内配制适量浓度为0.01M的二水乙酸锌的甲醇溶液，剧烈搅拌伴随整个过程；在烧杯内配制0.03M氢氧化钾的甲醇溶液，并将此溶液逐滴滴入到二水乙酸锌的甲醇溶液中；混合液在60℃下持续搅拌2小时得到ZnO纳米种子溶液；将步骤(1)中制得的VO2纳米棒分散到得到的ZnO种子液中，室温下搅拌40min-60min；分离出VO2纳米棒，并用去离子水清洗，用去离子水定容待用；(3)表面壳层ZnO纳米棒的生长：将步骤(2)中得到的适量吸附ZnO种子的VO2纳米棒的水溶液加入到二水乙酸锌和六次甲基四胺摩尔比为1:2的溶液中，在90℃油浴下反应2-6h；反应结束后将产物分离出并清洗；(4)涂片：将所得到的粉末状产物与少量去离子水混合调成糊状，涂敷在印有叉指金电极的陶瓷片上，形成一层敏感材料膜；之后置于烘箱内烘干，即可得到基于VO2@ZnO复合结构的气敏传感器。所述步骤(1)V2O5粉末和草酸二水合物粉末摩尔比为1:1～3，二者均为分析纯级别，未进行后续提纯处理。所述步骤(2)0.01M的二水乙酸锌的甲醇溶液和0.03M氢氧化钾的甲醇溶液体积比为5:2～3。本专利技术的有益效果为：1)本专利技术中所运用的制备工艺要求低，设备简单、易操作，制作工艺成本低，制备的步骤相对独立，适合用于大规模的工业生产。2)制备的复合结构形貌较均一，具有较大的比表面积，而且在两种材料接触界面形成异质结结构。该VO2@ZnO复合结构气体传感器在室温下对100ppm的丙酮气体有明显的响应，能够实现在室温下对丙酮气体的有效探测，且响应时间短。本专利技术所制备的纳米结构在低功耗气敏传感器方向具有较大的应用前景。本专利技术制备的异质纳米结构是以VO2纳米棒作为ZnO纳米棒生长的非平面基底，通过引入ZnO种子在VO2核表面外延生长ZnO纳米棒壳层形成最终的核壳结构。VO2@ZnO复合结构呈现出树枝状的分层次结构，具有较大的比表面积。同时两种材料接触界面处形成异质结，促进了材料间电子交换及运输，从而能够达到改善材料性能的效果。本专利技术方法通过简单的液相法制备出形貌均一的VO2@ZnO复合结构。一维纳米多级复合结构同时具备比表面积大以及优异的异质结构性能的特点，能明显提高气敏传感器的灵敏度与响应速度。附图说明图1是本专利技术的方法制备的基于VO2@ZnO复合结构的气敏传感器的结构示意图；图2是ZnO纳米棒生长时间为2h的VO2@ZnO复合结构的场发射扫描电子显微镜图像，标尺为500nm；图3是实施例1中得到的气敏传感器在室温下对10-200ppm丙酮气体的响应-恢复动态曲线；图4是实施例2中得到的气敏传感器在室温下对10-200ppm丙酮气体的响应-恢复动态曲线；图5是实施例3中得到的气敏传感器在室温下对10-200ppm丙酮气体的响应-恢复动态曲线；图6是三个实施例中得到的气敏传感器对10-200ppm丙酮气体的灵敏度比较图；图7是实施例2中得到的气敏传感器在室温下对不同浓度丙酮气体的响应时间以及恢复时间统计图。具体实施方式本专利技术所用原料均采用市售分析纯试剂，下面结合具体实施例对本专利技术作进一步详细的说明。实施例1(1)VO2纳米棒的制备：用电子天平称取0.568g草酸二水合物粉末，搅拌溶解在60ml去离子水中配成溶液。称取0.273gV2O5粉末加入到上述溶液中继续搅拌，直到形成绿色透明溶液。将得到的溶液转移到100ml聚四氟乙烯内衬中，装好反应釜外壳，将反应釜放置于干燥箱中，设置180℃反应36h。待反应结束后，自然冷却到室温，用离心机分离出黑色沉淀产物，分别用去离子水和无水乙醇清洗数次。(2)ZnO纳米种子表面吸附的VO2纳米棒的制备：取洁净的烧瓶，60℃下水浴在烧瓶内配制125ml浓度为0.01M的二水乙酸锌的甲醇溶液，剧烈搅拌伴随整个过程；在烧杯内配制65ml0.03M氢氧化钾的甲醇溶液，并将此溶液逐滴滴入到二水乙酸锌的甲醇溶液中。混合液在60℃水浴条件下持续搅拌2小时得到ZnO纳米种子溶液。将步骤(1)中制得的VO2纳米棒分散到ZnO种子液中，室温下搅拌60min。用离心机分离出产物，并在2500r/min的条件下用去离子水清洗2次，用去离子水定容至10ml待用。(3)表面壳层ZnO纳米棒的生长：将步骤(2)中得到的适量吸附ZnO种子的VO2纳米棒的水溶液加入到150ml二水乙酸锌和六次甲基四胺摩尔比为1:2的溶液中(二水乙酸锌的浓度为0.02M)，在90℃油浴下反应2h。反应结束后将产物分离出并用去离子水清洗3-5次。(4)涂片将所得到的粉末状产物与少量去离子水混合调成糊状，涂敷在1cm*2cm的印有叉指金电极的陶瓷片上，形成一层敏感材料膜。之后置于烘箱内设置本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于VO2@ZnO的丙酮气敏传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)VO2纳米棒的制备：以V2O5粉末和草酸二水合物粉末为反应前驱物，称取草酸二水合物粉末，搅拌溶解在去离子水中配成无色透明溶液；称取V2O5粉末加入到上述溶液中继续搅拌，直到形成绿色透明溶液；将得到的溶液转移到聚四氟乙烯内衬中，装到反应釜外壳中，将反应釜放置于干燥箱中，设置180℃反应24‑36h；待反应结束后，自然冷却到室温，用离心机分离出黑色沉淀产物，分别用去离子水和无水乙醇清洗数次；(2)ZnO纳米种子表面吸附的VO2纳米棒的制备：取洁净的烧瓶，水浴条件下在烧瓶内配制适量浓度为0.01M的二水乙酸锌的甲醇溶液，剧烈搅拌伴随整个过程；在烧杯内配制0.03M氢氧化钾的甲醇溶液，并将此溶液逐滴滴入到二水乙酸锌的甲醇溶液中；混合液在60℃下持续搅拌2小时得到ZnO纳米种子溶液；将步骤(1)中制得的VO2纳米棒分散到得到的ZnO种子液中，室温下搅拌40min‑60min；分离出VO2纳米棒，并用去离子水清洗，用去离子水定容待用；(3)表面壳层ZnO纳米棒的生长：将步骤(2)中得到的适量吸附ZnO种子的VO2纳米棒的水溶液加入到二水乙酸锌和六次甲基四胺摩尔比为1:2的溶液中，在90℃油浴下反应2‑6h；反应结束后将产物分离出并清洗；(4)涂片：将所得到的粉末状产物与少量去离子水混合调成糊状，涂敷在印有叉指金电极的陶瓷片上，形成一层敏感材料膜；之后置于烘箱内烘干，即可得到基于VO2@ZnO复合结构的气敏传感器。...

【技术特征摘要】
1.一种基于VO2@ZnO的丙酮气敏传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)VO2纳米棒的制备：以V2O5粉末和草酸二水合物粉末为反应前驱物，称取草酸二水合物粉末，搅拌溶解在去离子水中配成无色透明溶液；称取V2O5粉末加入到上述溶液中继续搅拌，直到形成绿色透明溶液；将得到的溶液转移到聚四氟乙烯内衬中，装到反应釜外壳中，将反应釜放置于干燥箱中，设置180℃反应24-36h；待反应结束后，自然冷却到室温，用离心机分离出黑色沉淀产物，分别用去离子水和无水乙醇清洗数次；(2)ZnO纳米种子表面吸附的VO2纳米棒的制备：取洁净的烧瓶，水浴条件下在烧瓶内配制适量浓度为0.01M的二水乙酸锌的甲醇溶液，剧烈搅拌伴随整个过程；在烧杯内配制0.03M氢氧化钾的甲醇溶液，并将此溶液逐滴滴入到二水乙酸锌的甲醇溶液中；混合液在60℃下持续搅拌2小时得到ZnO纳米种子溶液；将步骤(1)中制得的VO2纳米棒分散到得到的ZnO种子液中，室温...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁继然，杨然，周立伟，赵一瑞，郭津榜，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12