一种氧化锌纳米棒‑碳纳米管乙醇传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氧化锌纳米棒‑碳纳米管乙醇传感器及其制备方法，属于气体检测技术领域。乙醇传感器由陶瓷管、陶瓷管上的敏感层、测试电极和加热电极组成，其中敏感层是氧化锌纳米棒‑碳纳米管复合材料。传感器的制备过程分为：1)制备氧化锌纳米棒‑碳纳米管复合材料；2)制备旁热式烧结型气敏元件。气敏传感器对乙醇的检测下限达到了2ppm，同时具有较短的响应时间、较强的重复稳定性和较高的灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
一种氧化锌纳米棒-碳纳米管乙醇传感器及其制备方法
本专利技术涉及一种气体传感器及其制备方法，具体涉及一种氧化锌纳米棒-碳纳米管作为敏感膜的乙醇传感器及其制备方法，属于气体检测

技术介绍
发展高灵敏和快速响应的新型传感器，对环境监测、人们的身体健康、军事国防等具有重要的意义。ZnO是目前应用比较广的气敏材料之一，许多基于ZnO纳米结构气体传感器的研究有了一些报道，然而，单一的氧化锌作为传感器仍然存在着一系列的瓶颈,包括灵敏度低和响应恢复特性差等缺点，限制了其进一步的应用。因此有必要将氧化锌与其它的材料复合,实现材料与功能的一体化,发挥出两种材料的优势。碳纳米管属于纳米材料，其具有中空管状结构，具有大的比表面积，可大量吸附待测气体，其表面带有很多活性基团，有利于气体检测，此外碳纳米管还具有独特的物理化学性能，如高的电子迁移率和导电率，利用其制备纳米传感器已成为纳米器件领域的研究热点之一。将氧化锌纳米结构和碳纳米管两种结构复合，将得到很多有趣的结构和性能，利用两种结构的协同效应，可进一步提高气体检测的灵敏度，加快其响应恢复时间。目前还没有此方面的相关报道。
技术实现思路
本专利技术针对上述现有技术上的不足，提供一种氧化锌纳米棒-碳纳米管复合结构作为敏感膜的乙醇传感器及其制备方法，得到的传感器性能相对于氧化锌纳米棒传感器来说，对乙醇气体的灵敏度和响应速度都有了大幅度的提高。本专利技术的技术方案一种氧化锌纳米棒-碳纳米管乙醇传感器，包括陶瓷管、陶瓷管上的敏感层、测试电极和加热电极。陶瓷管(长约4.1毫米，内径约1.0毫米，外径约1.4毫米)两端附有金电极，金电极处引出4根Pt导线，作为测试电极；一根螺旋状的镍铬合金丝贯穿陶瓷管，作为加热电极；其中，敏感层是氧化锌纳米棒-碳纳米管复合材料，覆盖在陶瓷管表面以及两个金电极之间。敏感层的制备分为三步：1)水热法制备ZnO纳米棒；2)CVD法制备碳纳米管；3)将两种材料混合涂敷在两电极之间。优选地，敏感层成分的质量分数百分比为：50～95％的氧化锌纳米棒，5～50％的碳纳米管。本专利技术提供的氧化锌纳米棒-碳纳米管乙醇传感器的制备方法具体按照以下步骤进行：步骤1，配置硝酸锌，乌洛托品，氨水，聚乙烯亚胺的混合溶液，即ZnO消解液。步骤2，将ZnO消解液倒入高压反应釜，消解液不超过高压反应釜的2/3，放置于真空干燥箱中水热处理，反应后随炉冷却。步骤3，将水热法处理后的ZnO消解液倒入离心管，采用离心机收集白色沉淀，多次清洗，并在空气气氛下烘干，得到氧化锌白色粉末。步骤4，将步骤3得到的氧化锌粉末与碳纳米管混合，在研钵中研磨成糊状，涂敷在陶瓷管上，风干后在马弗炉中烧结。步骤5，将一根镍铬合金丝小心的插入步骤4所述的陶瓷管中作为加热电极，并将加热电极和测试电极焊接在一个六角基座上，即制成了旁热式烧结型气敏元件。步骤6，将步骤5制成的气敏元件插入WS-30A气敏元件测试仪上，进行老化，制成氧化锌纳米棒-碳纳米管乙醇传感器。完成以上步骤后，制得的乙醇传感器即可进行气敏性能的测试，如灵敏度，响应恢复特性，最低浓度等。优选地，所述ZnO消解液中各成分的含量是：硝酸锌为0.05mol/L，乌洛托品为0.05mol/L，氨水为0.05mol/L，聚乙烯亚胺为0.002mol/L。优选地，真空干燥箱的温度为100℃，水热时间为12h。优选地，步骤3得到的白色沉淀用超纯水或无水乙醇清洗，在60℃空气气氛下烘干。优选地，氧化锌粉末与碳纳米管按照质量比4:1混合，烧结温度为450℃。优选地，老化温度为300℃，老化时间为24h。其中碳纳米管的制备方法是：利用P型硅片做衬底，采用磁控溅射法射频镀镍作为催化剂，采用CVD法制备碳纳米管。优选地，镀镍功率为150W，时间为50s。优选地，反应时间为15min，CH4和H2流量分别为10sccm和40sccm。本专利技术工艺简单,操作方便,且成本低廉。本专利技术相比现有技术具有以下优点：本专利技术利用碳纳米管的中空管状结构具有大的比表面积，可大量吸附待测气体。其表面带有很多活性基团，有利于气体检测，此外碳纳米管还具有独特的物理化学性能，如高的电子迁移率和导电率。通过氧化锌纳米棒与碳纳米管的复合，制备所得复合气敏传感膜具有高表面吸附能力并且能达到载流子的完全耗尽，形成双耗尽层，进而表现出更高的灵敏度、更快的响应特性。附图说明图1为本专利技术一个较佳实施例制备的气体传感器结构示意图；图2为本专利技术一个较佳实施例制备的气敏元件示意图；图3为本专利技术一个较佳实施例制备的氧化锌纳米棒-碳纳米管复合材料的扫描电镜图片；图4为本专利技术一个较佳实施例制备的纯氧化锌纳米棒和氧化锌纳米棒-碳纳米管复合材料对50ppm浓度乙醇的响应恢复曲线图；图5为本专利技术一个较佳实施例制备的乙醇传感器对不同浓度乙醇的灵敏度曲线图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的实施做详细的说明。本实施例在以本专利技术的技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方案和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。实施例1如图1、图2所示氧化锌纳米棒-碳纳米管乙醇传感器，包括陶瓷管1、陶瓷管上的敏感层2、测试电极3和加热电极4。陶瓷管(长约4.1毫米，内径约1.0毫米，外径约1.4毫米)两端附有金电极，金电极处引出4根Pt导线，作为测试电极；一根螺旋状的镍铬合金丝贯穿陶瓷管，作为加热电极；其中，敏感层是氧化锌纳米棒-碳纳米管复合材料，覆盖在陶瓷管表面以及两个金电极之间。氧化锌纳米棒-碳纳米管乙醇传感器的制备过程如下：氧化锌纳米棒的制备：首先，用超纯水制备硝酸锌(0.05M)、乌洛托品(0.05M)、氨水(0.05M)和聚乙烯亚胺(2mM)的混合溶液。其次，将混合溶液倒入50mL高压反应釜中，密封高压反应釜，在真空干燥箱中100℃反应12h后，随炉冷却至室温，然后移出溶液。最后，采用离心机收集白色沉淀，收集到的白色沉淀用超纯水和无水乙醇多次清洗，并在50～70℃空气气氛下烘干，得到白色粉末，即氧化锌纳米棒。将氧化锌纳米棒和碳纳米管按照质量比4:1混合于研钵中，倒入少量酒精研磨，干了之后，再次加入酒精研磨，重复半小时(研磨方向相同)调成糊状，涂覆在陶瓷管表面。将涂覆好的陶瓷管自然风干，然后置于马弗炉中450～550℃烧结2h，随炉冷却后取出。将一根镍铬合金丝小心的插入该陶瓷管中，并将加热电极和测试电极焊接在一个六角基座上，即制成了旁热式烧结型气敏元件。将该气敏元件插入WS-30A气敏元件测试仪上，以工作稳定为200～300℃进行老化18～24h，制得氧化锌纳米棒-碳纳米管乙醇传感器。完成以上步骤后，制得的乙醇传感器即可进行气敏性能的测试，如灵敏度，响应恢复特性，最低浓度等。图1为本专利技术的传感器结构示意图，表述了氧化锌纳米棒-碳纳米管复合材料的传感原理,通过检测复合材料与乙醇作用时的电阻变化来实现对乙醇的响应。图2为本专利技术的气敏元件示意图，表述了氧化锌纳米棒-碳纳米管乙醇传感器与六角基座的焊接关系，其中，5为测试电极引脚，6为加热电极引脚。图3为氧化锌纳米棒-碳纳米管复合材料的扫描电镜图片，可以看到碳纳米管均匀且紧密地复合在了氧化锌纳米棒上。图4为纯氧化锌纳米棒和氧化锌纳米棒-碳纳米管复合材料对50ppm浓度乙醇的响应恢复曲线图。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氧化锌纳米棒‑碳纳米管乙醇传感器，包括陶瓷管、陶瓷管上的敏感层、测试电极和加热电极；陶瓷管两端附有金电极，金电极处引出4根Pt导线，作为测试电极；一根螺旋状的镍铬合金丝贯穿陶瓷管，作为加热电极；所述敏感层是氧化锌纳米棒‑碳纳米管复合材料，覆盖在陶瓷管表面以及两个金电极之间。。

【技术特征摘要】
1.一种氧化锌纳米棒-碳纳米管乙醇传感器，包括陶瓷管、陶瓷管上的敏感层、测试电极和加热电极；陶瓷管两端附有金电极，金电极处引出4根Pt导线，作为测试电极；一根螺旋状的镍铬合金丝贯穿陶瓷管，作为加热电极；所述敏感层是氧化锌纳米棒-碳纳米管复合材料，覆盖在陶瓷管表面以及两个金电极之间。。2.根据权利要求1所述的一种氧化锌纳米棒-碳纳米管乙醇传感器，其特征在于，所述敏感层成分的质量分数百分比为：50～95％的氧化锌纳米棒，5～50％的碳纳米管。3.权利要求1或2所述的氧化锌纳米棒-碳纳米管乙醇传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法按照以下步骤进行：步骤1，配置硝酸锌、乌洛托品、氨水和聚乙烯亚胺的混合溶液，即ZnO消解液；步骤2，将ZnO消解液倒入高压反应釜，放置于真空干燥箱中水热处理，反应后随炉冷却；步骤3，将水热法处理后的ZnO消解液倒入离心管，采用离心机收集白色沉淀，多次清洗，并在空气气氛下烘干，得到氧化锌白色粉末；步骤4，将步骤3得到的氧化锌粉末与碳纳米管混合，在研钵中研磨成糊状，涂敷在陶瓷管上，风干后在马弗炉中烧结；步骤5，将一根镍铬合金丝插入步骤4所述的陶瓷管中作为加热电极，并将加热电极和测...

【专利技术属性】
技术研发人员：李翠平，曹菲菲，李明吉，李红姬，杨天琦，吴小国，杨保和，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：发明
国别省市：天津,12