基于ZnO/α-Fe2O3复合氧化物半导体的丙酮气体传感器及其制备方法技术

一种基于ZnO/α-Fe2O3复合氧化物半导体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。本发明专利技术采用两步溶剂热法来制备ZnO/α-Fe2O3异质结构敏感材料，利用ZnO和α-Fe2O3之间形成的大量异质结及二者对丙酮的协同敏感作用，极大地提高了敏感材料对丙酮的灵敏度和加快了对丙酮的响应速度。本发明专利技术中所制作的传感器件是由带有两个环形金电极的Al2O3绝缘陶瓷管，穿过陶瓷管内部的Ni-Cr合金加热线圈和涂覆在Al2O3陶瓷管外表面的敏感材料三部分构成的。器件结构简单，价格低廉，体积较小，易于集成和大批量生产，在工业生产中丙酮泄露的检测和报警方面有着重要的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
基于ZnO/α-Fe2O3复合氧化物半导体的丙酮气体传感器及其制备方法
本专利技术属于气体传感器
，具体涉及一种基于ZnO/α-Fe2O3复合氧化物半导体的丙酮气体传感器及其制备方法。
技术介绍
气体传感器可以定义为一种当将其暴露在不同气体氛围中时，其固有物理量，如质量、电阻值、介电特性等的变化量可以通过特定的仪器进行测量和量化的装置。与众多传统的气体检测手段相比，气体传感器被认为是检测有毒、有害、易燃、易爆气体的一种结构简单、成本低廉的工具。因此，气体传感器在工业生产安全、环境监测、室内和公共安全以及汽车尾气检测等诸多方面得到了广泛的应用。尽管半导体氧化物(如α-Fe2O3,SnO2，ZnO,In2O3,NiO等)由于其价格低廉，低能耗，易制备等优点被广泛应用在气体传感器领域。然而，其仍存在选择性差，灵敏度不高等问题。因此，许多科学工作者试图通过贵金属担载，过渡金属离子掺杂等方法来改善敏感材料的气敏性能，从而满足人们对具有高灵敏度，快响应速度，好选择性的气体传感器日益增长的需要。除此之外，将两种金属氧化物进行复合，构筑异质结同时利用二者的协同效应也是一种提高敏感性能的极为有效的方式。丙酮是一种重要的有机合成原料，被广泛应用于农药、医药、涂料和喷漆等工业生产中。虽然丙酮在工业生产中必不可少，但是由于其具有易燃、易挥发且具有强烈的刺激性，所以，如果人们长期暴露在丙酮气氛中会出现眩晕、咽炎、支气管炎、乏力等不良症状，对人们的身体健康带来极大的危害。因此，对工业生产中的丙酮气体进行快速、准确的检测对保证工业生产安全和减少不必要的财产损失是极为重要的。这就需要借助于高灵敏度、响应速度快的丙酮气体传感器。目前，国内外很少有关于液相法制备ZnO/α-Fe2O3复合物材料，并将其应用于气体检测领域的文献报道。我们首次制备了ZnO/α-Fe2O3复合物，随后在对其气敏特性进行研究时发现，这种复合材料相比单一的α-Fe2O3对丙酮表现出了更高的灵敏度和更快的响应速度，使得其在丙酮检测领域存在极大的应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的是采用一种简单有效且产率大的液相法来制备ZnO/α-Fe2O3复合氧化物敏感材料，并用于制作气体传感器以验证其在工业生产中丙酮气体泄漏检测和报警方面的应用。本专利技术通过半导体材料复合的方式，极大地提高了传感器的灵敏度和加快传感器的响应速度，进一步促进了此类传感器在工业生产领域的应用。本专利技术所得到的传感器除了具有高灵敏度、快的响应速度外，并具有良好的选择性和重复性。该传感器对100ppm丙酮的灵敏度约为30，对20ppm丙酮的响应时间小于1秒。因此，可以对丙酮的泄露进行快速的检测和报警。本专利技术所述的ZnO/α-Fe2O3氧化物半导体丙酮传感器的结构如图1所示，其是由外表面带有2个环形金电极4的Al2O3绝缘陶瓷管1，穿过Al2O3绝缘陶瓷管1内部的Ni-Cr合金加热丝2以及涂覆在绝缘陶瓷管1外表面和环形金电极4上的敏感材料层3构成；且每个环形金电极4上连接着一对铂丝5。气体传感器对还原性气体灵敏度的定义为S＝Ra/Rg，其中Ra和Rg分别为传感器在空气氛围和待测气体氛围时两电极间的电阻值。其特征在于：敏感材料层3为ZnO/α-Fe2O3复合氧化物半导体敏感材料，其由如下步骤制备得到，(1)α-Fe2O3的制备①首先将12.5～17.5mmol的FeCl3·6H2O、2.3～4.1mmol的十六烷基三甲基溴化铵以及3.5～5.3mmol六次甲基四胺依次加入到去离子水和乙醇的混合溶剂中(溶剂体积为30mL，去离子水和乙醇的体积比为1：2～1：1)，超声使溶解；②把上述溶液转移到反应釜中，密闭后置于140～160℃的烘箱中反应12～14小时，随后使反应釜自然冷却至室温，然后将所得沉淀分别用乙醇和去离子水清洗，最后在室温下干燥后得到α-Fe2O3粉末，其为圆角六面体结构；(2)异质结构的ZnO/α-Fe2O3复合半导体氧化物的制备①取35～55mg的α-Fe2O3圆角六面体粉末加入到10～15mL乙二醇中，超声使α-Fe2O3完全分散，然后加入50～70mg的Zn(NO3)2·6H2O，搅拌使Zn(NO3)2·6H2O完全溶解；②将上述混合液体倒入反应釜中，在180～200℃下反应12～14小时，冷却至室温后将生成的沉淀用去离子水和乙醇离心清洗，室温下干燥后得到ZnO纳米颗粒修饰α-Fe2O3的异质结构的ZnO/α-Fe2O3复合半导体氧化物粉末。本专利技术所述的是一种基于ZnO/α-Fe2O3复合半导体氧化物的丙酮气体传感器，其具体制作过程如下：①将ZnO/α-Fe2O3复合半导体氧化物粉末与去离子水以质量比4：1～6：1进行充分混合，形成糊状浆料，然后将浆料均匀地涂覆在市售的外表面带有2个环形金电极4的Al2O3陶瓷管1表面，形成厚度为10～30μm的敏感材料层3，并使敏感材料完全覆盖环形金电极4；陶瓷管1的长度为4～4.5mm，外径为1.2～1.5mm，内径为0.8～1.0mm；②将涂覆过敏感材料的Al2O3陶瓷管1置于红外线灯(功率为100～150W)下烘烤30～45分钟，待敏感材料干燥后，把Al2O3陶瓷管1在400～450℃下煅烧2～3小时；然后将电阻值为30～40Ω的Ni-Cr合金加热线圈穿过Al2O3陶瓷管内部作为加热丝，最后将上述器件按照通用旁热式气敏元件进行焊接和封装，从而得到基于ZnO/α-Fe2O3复合氧化物半导体的丙酮气体传感器。利用ZnO/α-Fe2O3复合氧化物半导体作为敏感材料，一方面，ZnO和α-Fe2O3都是常用的敏感材料，在二者协同效应的作用下可以使ZnO/α-Fe2O3复合氧化物半导体的敏感性能得到进一步提高；另一方面，生长在α-Fe2O3圆角六面体表面的ZnO纳米颗粒使得二者之间形成大量的异质结，这些异质结为表面反应提供了更多的活性位点，同样可以改善敏感材料的气敏性能。因而，这两方面的共同作用可以大大提高敏感材料和气体之间的反应效率和速率，进而极大的提高传感器的灵敏度和响应速度。同时，本专利技术采用产率大的液相法来制备敏感材料，且以市售的价格低廉的Al2O3陶瓷管来构筑传感器结构，其工艺简单，体积小，易于集成，因而利于批量生产，具有较为广泛的应用前景。本专利技术的优点：(1)利用两步溶剂热法合成敏感材料，合成方法简单，仪器设备要求低，成本低，易于工业化批量生产；(2)采用常见且含量丰富的ZnO和α-Fe2O3作为基本的敏感材料，通过半导体复合的方式合成异质结构的ZnO/α-Fe2O3敏感材料，提高了对丙酮的灵敏度，且具有较快的响应速度和较好的可重复性，在检测工业生产中丙酮含量方面有广阔的应用前景；(3)采用市售管式传感器结构，器件工艺简单，体积小，易于集成，适于大批量生产。附图说明图1：基于ZnO/α-Fe2O3复合氧化物半导体的丙酮气体传感器结构示意图；图2：异质结构的ZnO/α-Fe2O3圆角六面体敏感材料的SEM照片，其中图(a)的放大倍数为8000倍，图(b)的放大倍数为50000倍；图3：异质结构的ZnO/α-Fe2O3圆角六面体敏感材料的XRD谱图；图4：对比例和实施例中传感器在不同工作温度下对100ppm丙酮的灵敏度对比图；具体测试方法如下：首先本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于ZnO/α‑Fe2O3复合氧化物半导体的丙酮气体传感器，是由外表面带有2个环形金电极(4)的Al2O3绝缘陶瓷管(1)、穿过Al2O3绝缘陶瓷管(1)内部的Ni‑Cr合金加热丝(2)以及涂覆在绝缘陶瓷管(1)外表面和环形金电极(4)上的敏感材料(3)构成，同时每个环形金电极(4)上连接着一对铂丝(5)；其特征在于：敏感材料层(3)为ZnO/α‑Fe2O3复合氧化物半导体敏感材料，其由如下步骤制备得到，①首先将12.5～17.5mmol的FeCl3·6H2O、2.3～4.1mmol的十六烷基三甲基溴化铵以及3.5～5.3mmol的六次甲基四胺依次加入到去离子水和乙醇的混合溶剂中，超声使溶解；②把上述溶液转移到反应釜中，密闭后置于140～160℃的烘箱中反应12～14小时，随后使反应釜自然冷却至室温，然后将所得沉淀分别用乙醇和去离子水清洗，最后在室温下干燥后得到α‑Fe2O3粉末；③取35～55mg的α‑Fe2O3粉末加入到10～15mL乙二醇中，超声使α‑Fe2O3完全分散，然后加入50～70mg的Zn(NO3)2·6H2O，搅拌使Zn(NO3)2·6H2O完全溶解；④将上述混合液体倒入反应釜中，在180～200℃下反应12～14小时，冷却至室温后将生成的沉淀用去离子水和乙醇离心清洗，室温下干燥后得到异质结构的ZnO/α‑Fe2O3复合半导体氧化物粉末。...

【技术特征摘要】
1.一种基于ZnO/α-Fe2O3复合氧化物半导体的丙酮气体传感器，是由外表面带有2个环形金电极(4)的Al2O3绝缘陶瓷管(1)、穿过Al2O3绝缘陶瓷管(1)内部的Ni-Cr合金加热丝(2)以及涂覆在Al2O3绝缘陶瓷管(1)外表面和环形金电极(4)上的敏感材料(3)构成，同时每个环形金电极(4)上连接着一对铂丝(5)；其特征在于：敏感材料层(3)为ZnO/α-Fe2O3复合氧化物半导体敏感材料，其由如下步骤制备得到，①首先将12.5～17.5mmol的FeCl3·6H2O、2.3～4.1mmol的十六烷基三甲基溴化铵以及3.5～5.3mmol的六次甲基四胺依次加入到去离子水和乙醇的混合溶剂中，超声使溶解；②把上述溶液转移到反应釜中，密闭后置于140～160℃的烘箱中反应12～14小时，随后使反应釜自然冷却至室温，然后将所得沉淀分别用乙醇和去离子水清洗，最后在室温下干燥后得到α-Fe2O3粉末；③取35～55mg的α-Fe2O3粉末加入到10～15mL乙二醇中，超声使α-Fe2O3完全分散，然后加入50～70mg的Zn(NO3)2·6H2O，搅拌使Zn(NO3)2·6H2O完全溶解；④将上述混合液体倒入反应釜中，在180～200℃下反应12～14小时，冷却至室温后将生成的沉淀用去离子水和乙醇离心清洗，室温下干燥后得到异质结构的ZnO/α-Fe2O3复合半导体氧化物粉末。2.如权利要求1所述的一种基于ZnO/α-Fe2O3复合氧...

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