一种基于电极表面原位生长纳米ZnO的NO2传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种基于电极表面原位生长纳米ZnO的NO2传感器，属于一维半导体金属氧化物材料的气体传感器技术领域。一种基于电极表面原位生长纳米ZnO的NO2传感器，其特征在于：所述传感器是通过在电极元件上原位生长ZnO纳米线阵列所得，其中，所述ZnO纳米线直径为80～100nm，长度为600nm～1μm，ZnO纳米线的晶体结构为六方相纤锌矿晶体结构。本发明专利技术所述气体传感器在工作温度250℃时获得对NO2气体的最大灵敏度，响应和恢复时间短，可逆性和选择性好，是具有良好发展前景的NO2传感器。

【技术实现步骤摘要】
一种基于电极表面原位生长纳米ZnO的NO2传感器
本专利技术属于一维半导体金属氧化物材料的气体传感器
，具体涉及一种基于电极表面原位生长ZnO纳米线阵列的NO2传感器及其制备方法。
技术介绍
二氧化氮(NO2)是一种有毒有害气体，主要来自于燃料燃烧、工业生产过程、城市汽车尾气等。NO2气体会导致酸雨和光化学烟雾的形成，过量时会危害人类健康、导致地表植被破坏。因此对NO2气体进行有效和实时监测，不仅可以有效地避免潜在安全事故的发生，同时还为后续的NO2气体处理提供了可靠的前期保障。近年来，基于不同气敏材料和传导平台的气体传感器得到了飞速发展。常见的气敏材料包括：半导体金属氧化物、导电聚合物、高分子及其复合物、金属氧化物/高分子复合材料、以及其他新型材料等。这些气敏材料可以应用到不同的传输单元，如化学电阻式、表面声波式(SAW)、石英晶体微天平式(QCM)、光学传导式、场效应晶体管式等。在这些气体传感器中，基于半导体金属氧化物材料的化学电阻式气体传感器由于具有低生产成本、高灵敏度、快响应/恢复速度、使用简便等特点，得到了广泛的应用。目前市售的NO2传感器采用的大多是SnO2、ZnO或WO3基的纳米薄膜、纳米颗粒以及微米球结构作为气敏材料。相对于一维纳米材料，基于上述微观结构的气敏材料结构具有比表面积小、表面活性低等不足，从而导致灵敏度较低和响应/恢复时间较长。因此，研究人员将更多关注放在纳米管、纳米线、纳米棒等一维纳米材料及由其组成的一维材料阵列的合成及其应用上，而具有纳米线阵列的气敏材料，由于具有结构单一、比表面积和表面活性高等特点，使它成为最有发展前景的气敏材料之一。ZnO是一种重要的宽禁带半导体材料，室温下其禁带宽度为3.37eV。基于ZnO纳米线阵列的气体传感器对NO2气体有着优良的气敏性能。目前制备ZnO纳米线阵列的方法有：基于气-液-固(VLS)机制的催化反应生长法、模板法、化学气相沉积法、金属有机气相外延生长法、湿化学法以及化学溶液法等。这些方法通常是先在基板上合成ZnO纳米线阵列，随后在气敏元件制备时将基板上的ZnO纳米线阵列产物转移到电极表面上，最后再进行相应的气敏特性检测。然而，该制备流程工艺不仅导致ZnO纳米线阵列产物的原始形貌发生破坏，而且也不能准确地反映ZnO纳米线阵列产物的原始气敏性能。
技术实现思路
针对目前制备ZnO纳米线阵列复杂的工艺及其在气敏特性方面存在的不足，本专利技术提供一种基于电极表面原位生长ZnO纳米线阵列的NO2传感器及其制备方法，目的是通过热分解法预先在电极表面形成ZnO种子层，再采用水热法在电极表面制备出具有结晶好、长径比高的ZnO纳米线阵列，最后经热处理及老化处理后直接将其组装成灵敏度高、可逆性好、响应/恢复迅速、选择性优良等优点的NO2传感器，以克服现有NO2传感器存在的制备工艺复杂、响应/恢复较慢等不足。本专利技术制备所得NO2传感器，具有制备流程简化、生产成本降低、适用于工业批量化生产等优点。一种基于电极表面原位生长纳米ZnO的NO2传感器，所述传感器是通过在电极元件上原位生长ZnO纳米线阵列所得，其中，所述ZnO纳米线直径为80～100nm，长度为600nm～1μm，ZnO纳米线的晶体结构为六方相纤锌矿晶体结构。上述技术方案中，所述ZnO纳米线阵列为NO2气体气敏材料。上述技术方案中，所得ZnO纳米线形貌规则、表面光滑。本专利技术所述NO2传感器中所述电极元件材料可为陶瓷或金；形状可为叉指、梳状、平面、管状等，如陶瓷管电极元件、平面金电极元件或叉指金电极元件。上述技术方案中，所述ZnO纳米线阵列均匀地分布生长在电极元件表面。进一步地，本专利技术所述NO2传感器按下述方法制备所得：(1)将电极元件浸入浓度为0.001～0.01M的二水合醋酸锌的乙醇溶液中，浸渍5～20s后，于40～80℃温度下干燥10～30min；将此浸渍—干燥过程重复2～5次；(2)将电极元件放置于管式电炉中，以10℃/min的加热速率升温至300～400℃并在空气中热处理10～40min，自然冷却至室温；(3)将相同浓度的六水合硝酸锌水溶液和六次甲基四胺水溶液按体积比为1:1混合，室温下搅拌均匀，得混合溶液，其中，六水合硝酸锌水溶液和六次甲基四胺水溶液的浓度为0.01～0.1M；(4)将混合溶液转移至聚四氟乙烯反应釜内胆中，随后将步骤(2)处理后所得的电极元件浸入该混合溶液中，密闭封装后将反应釜放置在干燥箱中，于80℃温度下反应12h；待反应结束并自然冷却至室温后，取出电极元件，水洗，再将电极元件转移至干燥箱中，于60℃温度下干燥30min；(5)将干燥后的电极元件放置在管式电炉中，以10℃/min的加热速率升温至350～450℃并在空气中热处理2～8h；待电极元件自然冷却至室温后，将其焊接到气敏测试系统的基座上并置于老化台上于350～450℃温度下老化6～24h，既得。本专利技术的另一目的是提供上述NO2传感器的制备方法，所述方法包括下述工艺步骤：(1)将电极元件浸入浓度为0.001～0.01M的二水合醋酸锌的乙醇溶液中，浸渍5～20s后，于40～80℃温度下干燥10～30min；将此浸渍—干燥过程重复2～5次；(2)将电极元件放置于管式电炉中，以10℃/min的加热速率升温至300～400℃并在空气中热处理10～40min，自然冷却至室温；(3)将相同浓度的六水合硝酸锌水溶液和六次甲基四胺水溶液按体积比为1:1混合，室温下搅拌均匀，得混合溶液，其中，六水合硝酸锌水溶液和六次甲基四胺水溶液的浓度为0.01～0.1M；(4)将混合溶液转移至聚四氟乙烯反应釜内胆中，随后将步骤(2)处理后所得的电极元件浸入该混合溶液中，密闭封装后将反应釜放置在干燥箱中，于80℃温度下反应12h；待反应结束并自然冷却至室温后，取出电极元件，水洗，再将电极元件转移至干燥箱中，于60℃温度下干燥30min；(5)将干燥后的电极元件放置在管式电炉中，以10℃/min的加热速率升温至350～450℃并在空气中热处理2～8h；待电极元件自然冷却至室温后，将其焊接到气敏测试系统的基座上并置于老化台上于350～450℃温度下老化6～24h，既得。上述技术方案中，步骤(1)中，所述干燥可于干燥箱中进行；所述电极元件在浸入二水合醋酸锌(Zn(CH3COO)2·2H2O)的乙醇溶液中前优选先进行水洗、乙醇洗和干燥。上述技术方案中，步骤(5)中，所述气敏测试系统和老化台上均可商业购得。上述技术方案中，步骤(1)和(2)处理后得电极元件表面附有一层ZnO晶种层的电极元件。上述技术方案中，步骤(3)中，优选将相同浓度的六水合硝酸锌水溶液和六次甲基四胺水溶液按体积比为1:1混合，室温下磁力搅拌3min，得混合溶液，其中，六水合硝酸锌水溶液的浓度为0.01～0.1M，六次甲基四胺水溶液的浓度为0.01～0.1M。上述技术方案中，步骤(3)和(4)中，优选各配置25mL浓度为0.01～0.1M的六水合硝酸锌水溶液和六次甲基四胺水溶液，并将两者混合均匀得混合溶液；将混合溶液置于200mL聚四氟乙烯反应釜内胆中，随后将步骤(2)处理后所得的电极元件浸入该混合溶液中，密闭封装后将反应釜放置在干燥箱中，于80℃温度下反应12h；待反应结束并自然冷本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于电极表面原位生长纳米ZnO的NO2传感器，其特征在于：所述传感器是通过在电极元件上原位生长ZnO纳米线阵列所得，其中，所述ZnO纳米线直径为80～100nm，长度为600nm～1μm，ZnO纳米线的晶体结构为六方相纤锌矿晶体结构。

【技术特征摘要】
1.一种基于电极表面原位生长纳米ZnO的NO2传感器，其特征在于：所述传感器是通过在电极元件上原位生长ZnO纳米线阵列所得，其中，所述ZnO纳米线直径为80～100nm，长度为600nm～1μm，ZnO纳米线的晶体结构为六方相纤锌矿晶体结构。2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述ZnO纳米线阵列为气敏材料，其均匀地分布生长在电极元件表面。3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述电极元件的材质为陶瓷或金。4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述电极元件为管状、平面、梳状或叉指电极元件。5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述电极元件为管状陶瓷电极元件、平面金电极元件或叉指金电极元件。6.权利要求1所述传感器的制备方法，其特征在于：包括下述工艺步骤：(1)将电极元件浸入浓度为0.001～0.01M的二水合醋酸锌的乙醇溶液中，浸渍5～20s后，于40～80℃温度下干燥10～30min；将此浸渍—...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈岩柏，陈享享，钟祥熙，李停停，魏德洲，韩聪，崔宝玉，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21