一种用于甲醛气体检测的复合气敏材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种用于甲醛气体检测的复合气敏材料，由二维片状金属氧化物与石墨烯量子点材料复合而成，二维片状金属氧化物占所述复合材料的质量百分含量为70%‑99.99%，石墨烯量子点材料占所述复合材料的质量百分含量为0.01%‑30%。本发明专利技术还提供了上述的一种用于甲醛气体检测的复合气敏材料的制备方法。本发明专利技术还提供了一种气敏元件，包括一个半导体元件，在所述的半导体元件的表面均匀涂敷上述的用于甲醛气体检测的复合气敏材料。本发明专利技术还提供了上述气敏元件的制备方法。本发明专利技术的气敏元件具有对甲醛气体灵敏度较高，工作温度低，对干扰气体选择性较好，稳定性较好及工作温度较低等优点，可应用于不同场合下的甲醛气体检测。

Composite gas sensing material for formaldehyde gas detection and preparation method thereof

The invention provides a composite gas sensing material for formaldehyde gas detection, which is composed of two-dimensional sheet metal oxide and graphene quantum dot material. The two-dimensional sheet metal oxide accounts for 70%99.99% of the mass percent of the composite material, and the graphene quantum dot material accounts for 70%99.99% of the mass percent of the composite material. It's 0.01% to 30%. The invention also provides a preparation method of the composite gas sensing material for formaldehyde gas detection. The invention also provides a gas sensor including a semiconductor element on which the composite gas sensor material for formaldehyde gas detection is uniformly coated. The invention also provides a preparation method of the gas sensing element. The gas sensor has the advantages of high sensitivity to formaldehyde gas, low working temperature, good selectivity to interfering gas, good stability and low working temperature, and can be applied to formaldehyde gas detection in different occasions.

【技术实现步骤摘要】
一种用于甲醛气体检测的复合气敏材料及其制备方法
本专利技术属于半导体材料领域，涉及金属氧化物半导体气敏材料，具体来说是一种用于甲醛气体检测的复合气敏材料及其制备方法。
技术介绍
甲醛作为世界上产量最高的十种化学品之一，是一种需求量很大的化学物质，它被广泛应用于日常生活中，例如在衣物布料加工过程中加入含有甲醛的助剂便可使布料具有防褶皱、防缩水和阻燃等优点；另外，它还存在于各种人工合成粘合剂中，其中由甲醛和尿素在一定反应条件下合成的脲醛树脂在木材加工业中具有不可取代的地位。但是，伴随着甲醛在各个领域的大量使用，不可避免地出现了一些令人头疼不已的副作用，即室内甲醛含量超标，这严重影响着人们的身体健康，尤其是对儿童、老人、孕妇及其他抵抗力虚弱的人群危害极大。目前，甲醛被国际癌症研究机构(IARC)列为一级致癌物，其对人体的危害已经众所周知。测定甲醛浓度的方法很多，如酚试剂法、气相色谱法、极谱法、比色法、荧光测定法和分光光度法等。相比于这些需要先收集后分析的方法，具有实时分析功能的甲醛传感器无疑是最优的选择。但是目前市面上的高灵敏甲醛传感器价格普遍太高，而价格便宜的又灵敏度较低、抗干扰能力差，无法满足家居环保产业的巨大市场需求。半导体氧化物传感器是目前应用最广泛的一类气体传感器，具有低成本，高灵敏度，易维护，小型化的潜力以及操作简单等优点。但是，对于一些传感器来说，它们的高操作温度要求与其他在室温下工作的其他传感器相比需要更多的成本和复杂的配置，这限制了它们的发展。石墨烯/金属氧化物半导体复合材料为解决这一问题提供了新思路。首先，石墨烯通过促进电荷传输可增强复合材料的导电性，从而降低金属氧化物通常所需的工作温度。其次，石墨烯和金属氧化物可以通过在接触界面形成异质结产生强烈的电子相互作用，从而调节或影响气敏过程中的电荷转移行为。随着纳米技术的发展，二维结构的纳米材料制备工艺不断突破，各种具有片状结构的金属氧化物半导体材料可以通过化学气相沉积法、水热法、模板牺牲法等大量合成，与颗粒状的金属氧化物材料相比，这些片状氧化物具有更高的比表面积和更优异的电学性能，更适用于合成各种气体传感器。另一方面，石墨烯量子点是单层或少量层状石墨烯，横向尺寸通常小于20nm，与大片石墨烯相比，具有零维结构的石墨烯量子点在气体传感领域更具应用潜力。首先，石墨烯量子点具有更大的比表面积，表面有大量的悬健且容易官能团化，因此可大大提高对目标气体分子的吸附性能。其次，石墨烯量子点具有可调带隙，荧光性能和电子输运性能均可以通过其粒径进行调控，且易通过掺杂改变其导电性。然而，关于石墨烯量子点的气敏性能目前尚未见有相关实验报道，这主要是因为单纯的石墨烯量子点很难形成导通的网络结构，器件应用受到限制。综合二维金属氧化物和石墨烯量子点的优点，制备复合材料，是甲醛传感器开发的一个方向，具有重要意义。
技术实现思路
针对现有技术中的上述技术问题，本专利技术提供了一种用于甲醛气体检测的复合气敏材料及其制备方法，所述的这种用于甲醛气体检测的复合气敏材料及其制备方法要解决现有技术中检测甲醛气体的气敏材料灵敏度、工作温度高、选择性和稳定性不佳的技术问题。本专利技术提供了一种用于甲醛气体检测的复合气敏材料，由二维片状金属氧化物与石墨烯量子点材料复合而成，所述二维片状金属氧化物占所述复合材料的质量百分含量为70％-99.99％，所述石墨烯量子点材料占所述复合材料的质量百分含量为0.01％-30％。进一步的，所述二维片状金属氧化物为氧化锌、氧化锡、氧化钨等具有半导体性质的氧化物；所述石墨烯量子点材料为本征石墨烯量子点、掺杂石墨烯量子点或经表面改性的石墨烯量子点。进一步的，所述二维片状金属氧化物的尺寸大小为0.5-100μm，厚度为5-100nm；所述石墨烯量子点材料的尺寸大小为2-50nm，厚度为0.6-10nm。本专利技术还提供了上述的一种用于甲醛气体检测的复合气敏材料的制备方法，包括如下步骤：1)一个制备二维金属氧化物纳米片的步骤；2)一个制备石墨烯量子点材料的步骤；3)按照质量百分比称取二维片状金属氧化物和所述石墨烯量子点材料，将所述二维片状金属氧化物和所述石墨烯量子点材料按比例复合，所述的复合方法为水热法或者超声法；得到用于甲醛气体检测的复合气敏材料。进一步的，所述石墨烯量子点的制备方法为水热法或者化学剥离法。进一步的，所述金属氧化物的制备方法为化学气相沉积法、水热法或者模板牺牲法。进一步的，上述的一种用于甲醛气体检测的复合气敏材料的制备方法，按照质量百分比称取二维片状金属氧化物和所述石墨烯量子点材料，将所述金属氧化物和所述石墨烯量子点材料在液相中混合后搅拌5-10min；控制频率为300-400W进行超声4-6h；最后在60-80℃温度下干燥，即得所述用于甲醛气体检测的复合气敏材料。本专利技术还提供了上述的一种用于甲醛气体检测的复合气敏材料在制备气敏传感器中的用途。具体的，上述的用于甲醛气体检测的复合气敏材料的制备过程如下：1)以氯化锌为原料，配制浓度为0.2mol/L的氯化锌溶液；2)以六亚甲基四胺为原料，配制浓度为0.2mol/L的六亚甲基四胺溶液；3)将步骤1)的氯化锌溶液和步骤2)的六亚甲基四胺溶液按照体积比1：1均匀混合，置于60℃油浴中保温15-30min；4)取等摩尔量的醋酸锌和六亚甲基四胺，配制成醋酸锌浓度为0.2-0.3mol/L的溶液；5)将步骤3)的氯化锌溶液和步骤4)的醋酸锌溶液均匀混合，加入适量氨水，调节溶液pH值为6-8；6)将步骤5)的溶液转移至水热反应釜中，置于高温鼓风干燥箱中，95℃反应2h，自然冷却至室温；7)将步骤6)得到的固体粉末离心洗涤3-6遍，60-80℃干燥8-12h，400-600℃煅烧1-2h，得到氧化锌纳米片。本专利技术还提供了一种气敏元件，包括一个半导体元件，在所述的半导体元件的表面均匀涂敷上述的用于甲醛气体检测的复合气敏材料。具体的，所述的半导体元件为氧化铝陶瓷管。具体的，上述气敏元件的制备方法，包括如下步骤：1)以氯化锌为原料，配制浓度为0.2mol/L的氯化锌溶液；2)以六亚甲基四胺为原料，配制浓度为0.2mol/L的六亚甲基四胺溶液；3)将步骤1)的氯化锌溶液和步骤2)的六亚甲基四胺溶液按照体积比1：1均匀混合，置于60℃油浴中保温15-30min；4)取等摩尔量的醋酸锌和六亚甲基四胺，配制成醋酸锌浓度为0.2-0.3mol/L的溶液；5)将步骤3)的氯化锌溶液和步骤4)的醋酸锌溶液均匀混合，加入适量氨水，调节溶液pH值为6-8；6)将步骤5)的溶液转移至水热反应釜中，置于高温鼓风干燥箱中，95℃反应2h，自然冷却至室温；7)将步骤6)得到的固体粉末离心洗涤3-6遍，60-80℃干燥8-12h，400-600℃煅烧1-2h，得到氧化锌纳米片。8)将步骤7)的氧化锌纳米片和石墨烯量子点材料按79％-99.99％：0.01％-30％的质量百分比例在液相中混合后搅拌5-10min；控制频率为300-400W进行超声4-6h；最后在60-80℃温度下干燥，得到复合气敏材料。9)将步骤8)的复合气敏材料加入乙醇调成糊状，均匀涂敷在半导体元件表面，获得气敏元件。进一步的，对气敏元件进行焊接、老化、封装，获得用于检测甲醛的气敏器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于甲醛气体检测的复合气敏材料，其特征在于：由二维片状金属氧化物与石墨烯量子点材料复合而成，所述二维片状金属氧化物占所述复合材料的质量百分含量为70％‑99.99％，所述石墨烯量子点材料占所述复合材料的质量百分含量为0.01％‑30％。

【技术特征摘要】
1.一种用于甲醛气体检测的复合气敏材料，其特征在于：由二维片状金属氧化物与石墨烯量子点材料复合而成，所述二维片状金属氧化物占所述复合材料的质量百分含量为70％-99.99％，所述石墨烯量子点材料占所述复合材料的质量百分含量为0.01％-30％。2.如权利要求1所述的一种用于甲醛气体检测的复合气敏材料，其特征在于：所述二维片状金属氧化物为氧化锌、氧化锡，氧化钨等具有半导体性质的氧化物；所述石墨烯量子点材料为本征石墨烯量子点、掺杂石墨烯量子点或经表面改性的石墨烯量子点。3.如权利要求1所述的一种用于甲醛气体检测的复合气敏材料，其特征在于：所述二维片状金属氧化物的尺寸大小为0.5-100μm，厚度为5-100nm；所述石墨烯量子点材料的尺寸大小为2-50nm，厚度为0.6-10nm。4.权利要求1所述的一种用于甲醛气体检测的复合气敏材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：1)一个制备二维金属氧化物纳米片的步骤；2)一个制备石墨烯量子点材料的步骤；3)按照质量百分比称取二维片状金属氧化物和所述石墨烯量子点材料，将所述二维片状金属氧化物和所述石墨烯量子点材料按比例复合，所述的复合方法为水热法或者超声法；得到用于甲醛气体检测的复合气敏材料。5.如权利要求4所述的一种用于甲醛气体检测的复合气敏材料的制备方法，其特征在于：所述石墨烯量子点的制备方法为水热法或者化学剥离法。6.如权利要求4所述的一种用于甲醛气体检测的复合气敏材料的制备方法，其特征在于：所述金属氧化物的制备方法为化学气相沉积法、水热法或者模板牺牲法。7.权利要求1所述的一种用于甲醛气体检测的复合气敏材料在制备气敏传感器中的用途。8.如权利要求4所述的一种用于甲醛气体检测的复合气敏材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：1)以氯化锌为原料，配制浓度为0.2mol/L的氯化锌溶液；2)以六亚甲基四胺为原料，配制浓度为0.2mol/L的六亚甲基四胺溶液；3)将步骤1)的氯...

【专利技术属性】
技术研发人员：王现英，陈祯璐，王丁，杨俊和，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海,31