一种基于核-壳花球状ZnFe2O4纳米材料的气体传感器、制备方法及在其检测丙酮气体方面的应用，属于气体传感器技术领域。传感器是由外表面带有2个分立的环形金电极的Al2O3绝缘陶瓷管、穿过Al2O3绝缘陶瓷管内部的Ni-Cr合金加热线圈以及涂覆在Al2O3绝缘陶瓷管外表面和环形金电极上的敏感材料薄膜构成，敏感材料薄膜为核-壳花球状ZnFe2O4纳米材料涂覆后得到。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对丙酮有着极高的灵敏度和良好的长期稳定性，使得其对工业生产中丙酮泄露的检测和报警方面有着重要的潜在应用前景。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于气体传感器
，具体涉及一种基于核-壳花球状ZnFe2O4纳米材料的气体传感器、制备方法及其在丙酮检测方面的应用。
技术介绍
尽管丙酮在农药，塑料，喷漆等工业生产中扮演者不可缺少的角色，但是其易挥发，易燃的特点使得其在遇到高温或明火时极易发生爆炸，对工业生产安全带来极大的危害。此外，由于丙酮强烈的刺激性，使得长期处于丙酮气氛中的人们产生恶心，眩晕，呕吐，酸中毒，甚至昏迷等不良症状，对人们的身体健康带来极大的危害。因此，为了保证工业生产的安全和人们的身体健康，亟需对丙酮气体进行快速、准确的报警和检测。基于金属氧化物的半导体气体传感器由于具有灵敏度高、响应恢复快的性质特点；结构简单、体积小的结构特点；以及成本低、稳定性好、可现场检测等应用优势，使得其从众多气体检测方法(如气相色谱法，质谱法)中脱颖而出并成为检测有毒有害，易燃易爆气体的一种简单、有效的方法。气敏材料作为气体传感器的重要组成部分，其微观结构对改善气体传感器的性能发挥着至关重要的作用。其中，对于具有核-壳结构的敏感材料而言，其良好的表面通透性、大的比表面积等特点使得其能够极大地促进了气体分子的扩散，因而极为适合构筑高性能气体传感器。令人遗憾的是，目前制备核-壳结构敏感材料的方法多为过程复杂、成本高且产率地的模板法，而且模板的残留反而不利于敏感性能的提高。因此，开发出一种简单，有效且产率高的方法来制备核-壳结构的敏感材料就显得尤为重要。作为一种重要的功能材料，尖晶石结构的ZnFe2O4在许多领域得到了广泛的研宄。然而，由于其具有高的单位电容率，好的循环稳定性及速率性能，广大科研工作者主要研宄ZnFe2O4在锂离子电池方面的应用并取得了一系列的研宄成果。相反地，仅仅有极少数文献对其气敏性能进行了报道，且均是低玮结构，表现出较差的气敏性能。所以，亟需制备出特殊结构的ZnFe2O4敏感材料，拓展并改善其在气体检测领域的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是采用无模板的液相法并结合烧结和化学腐蚀过程来制备核-壳花球状ZnFe2O4纳米材料，并对基于该敏感材料制作的气体传感器进行了气敏特性测试。测试结果表明该传感器对丙酮表现出了极高的灵敏度，快的响应-恢复速度和良好的长期稳定性，使得其在工业生产中丙酮气体泄漏的检测和报警方面存在巨大的潜在应用前景。本专利技术所述的气体传感器的结构如图1所示，其是由外表面带有2个分立的环形金电极4的Al2O3绝缘陶瓷管1、穿过Al 203绝缘陶瓷管I内部的N1-Cr合金加热线圈2以及涂覆在Al2O3绝缘陶瓷管I外表面和环形金电极4上的敏感材料薄膜3构成，每个环形金电极4上连接着一对铂丝5，敏感材料薄膜3由核-壳结构ZnFe2O4纳米材料涂覆后所得，所述的核-壳花球状ZnFe2O4纳米材料由如下步骤制备得到:①将0.3 ?0.6mmol 的 Zn (NO3) 2.6Η20、0.9 ?1.3mmol 的 Fe (NO3) 3.9Η20 及 0.8 ?1.1mmol的CO (NH2) 2依次加入到由8?12mL甘油和28?36mL异丙醇组成的混合溶剂中，磁力搅拌下使其完全溶解，得到均一透明的溶液；②把上述溶液在密闭(即转移到反应釜中，并将反应釜拧紧密闭)、180?210°C (即置于电加热烘箱中)条件下反应20?24小时，自然冷却至室温后将所得沉淀分别用乙醇和去离子水清洗，干燥后再把所得沉淀在420?470°C条件下煅烧2?3小时，并用浓度为0.3?0.7M的NH3.H2O溶液对烧结产物腐蚀7?15分钟，从而得到由纳米片构成的核-壳花球状ZnFe2O4纳米材料，花球的直径为1.4?1.7 μ m，纳米片的厚度为20?30nmo本专利技术所述的是一种基于核-壳花球状ZnFe2O4纳米材料的气体传感器，其制备步骤如下:①将去离子水与核-壳花球状ZnFe2O4纳米材料以质量比1:4?1:6的比例进行混合，得到糊状浆料，然后将浆料均匀地涂覆在外表面带有2个分立的环形金电极4的Al2O3陶瓷管I表面，形成厚度为30?50 μ m的敏感材料薄膜3，并使敏感材料完全覆盖环形金电极4 ;陶瓷管的长度为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，把涂覆有敏感材料的Al2O3陶瓷管在350?420°C条件下煅烧2?3小时；然后将电阻值为35?45 Ω的N1-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，从而得到基于核-壳花球状ZnFe2O4纳米材料的气体传感器。以核-壳花球状ZnFe2O4纳米材料为敏感材料，一方面这种特殊结构既继承又集成了其基本构成单元(纳米片)的优点，在提高了其敏感性能的同时又保证了其结构的稳定性；另一方面，其核/空隙/壳的结构特点有利于气体分子扩散到材料内部，使得在核-壳花球状ZnFe2O4纳米材料的内、外表面及壳的表面都能进行气敏反应，有利于其敏感特性的提升。同时，本专利技术采用操作简单且具有较大产率的液相法来制备敏感材料，并以价格低廉的管式Al2O3陶瓷管来构筑传感器结构，其工艺简单、体积小、利于批量生产，因此具有较为广泛的潜在应用前景。本专利技术的优点:(I)利用无模板协助的液相法合制备敏感材料，方法简单、仪器设备要求低、操作简单、成本低、产率高、易于工业化批量生产；(2)以具有核-壳结构的ZnFe2O4花球作为敏感材料，通过调整敏感材料的微观结构提高传感器的灵敏度和长期稳定性；(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:基于核-壳花球状ZnFe2O4纳米材料的丙酮气体传感器结构示意图；图2:核-壳花球状ZnFe2O4纳米材料的SEM照片，其中图(a)的放大倍数为20000倍，图(b)和(d)的放大倍数均为50000倍，图(c)的放大倍数为150000倍；图3:所制备的ZnFe2O4材料的XRD谱图；图4:实施例中传感器对20ppm丙酮的灵敏度随工作温度变化关系曲线；具体测试方法如下:首先将气体传感器放入气箱中，调节通过N1-Cr合金加热丝的电流来调整器件的工作温度，待其稳定后就可得到传感器在空气中的电阻值即Ra;随后，用微量进样器将20ppm丙酮注入气箱中，待其阻值稳定后记下传感器在丙酮中的阻值Rg。随后，把传感器转移至另一个充满空气的气箱中，使其慢慢恢复。根据气体传感器对还原性气体灵敏度的定义:S = Ra/Rg，其中RjP Rg分别为传感器在空气氛围和待测气体氛围中时两根铂丝之间的电阻值。通过计算就得到了传感器在该温度下对20ppm丙酮的灵敏度。同样地，重复上述过程，通过调节N1-Cr合金加热丝的电流就可得到器件在不同工作温度下对20ppm丙酮的灵敏度。随后，对测得的数据进行处理，就可得传感器对20ppm丙酮的灵敏度随工作温度的变化曲线；图5:实施例中传感器的丙酮浓度一灵敏度的标准工作曲线；灵敏度测试方法:首先将传感器放入气箱中，待其阻值稳定即得到传感器在空气中的电阻值Ra;然后使用微量进样器向气体箱中依次注入5?200ppm的丙酮，通过测量得到传感器本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于核‑壳花球状ZnFe2O4纳米材料的气体传感器，其是由外表面带有2个分立的环形金电极(4)的Al2O3绝缘陶瓷管(1)、穿过Al2O3绝缘陶瓷管(1)内部的Ni‑Cr合金加热线圈(2)以及涂覆在Al2O3绝缘陶瓷管(1)外表面和环形金电极(4)上的敏感材料薄膜(3)构成，每个环形金电极(4)上连接着一对铂丝(5)，其特征在于：敏感材料薄膜(3)是由如下步骤制备的核‑壳结构ZnFe2O4纳米材料涂覆后得到，①将0.3～0.6mmol的Zn(NO3)2·6H2O、0.9～1.3mmol的Fe(NO3)3·9H2O及0.8～1.1mmol的CO(NH2)2依次加入到由8～12mL甘油和28～36mL异丙醇组成的混合溶剂中，磁力搅拌下使其完全溶解，得到均一透明的溶液；②把上述溶液在密闭、180～210℃条件下反应20～24小时，自然冷却至室温后将所得沉淀分别用乙醇和去离子水清洗，干燥后再把所得沉淀在420～470℃条件下煅烧2～3小时，并用浓度为0.3～0.7M的NH3·H2O溶液对烧结产物腐蚀7～15分钟，从而得到由纳米片构成的核‑壳花球状ZnFe2O4纳米材料，花球的直径为1.4～1.7μm，纳米片的厚度为20～30nm。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：卢革宇，周鑫，孙鹏，王琛，李晓伟，胡小龙，刘凤敏，梁喜双，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22
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