一种基于核壳微球结构的LaFeO3纳米敏感材料的丙酮气体传感器及其制备方法技术

一种基于核壳微球结构的LaFeO3纳米敏感材料的丙酮气体传感器及其制备方法，属于氧化物半导体气体传感器技术领域。传感器为管式结构，由外表面涂有两条平行且分立的环状Au电极的Al2O3陶瓷管、焊在环状Au电极上的Pt丝、穿过Al2O3陶瓷管管芯的Ni‑Cr合金加热线圈和涂敷在Al2O3陶瓷管和环状Au电极上的核壳微球结构的LaFeO3纳米敏感材料构成。本发明专利技术所述传感器具有集成度高、结构简单、价格低廉、体积较小、结实耐用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能对丙酮气体有较快的响应恢复速度和极佳的长期稳定性，使其在对室内环境中的丙酮气体检测方面有着重要的应用前景。

Acetone gas sensor based on nuclear shell microsphere structure of LaFeO3 nanoscale sensitive material and its preparation method

A acetone gas sensor based on core shell microsphere LaFeO3 nano sensitive material and its preparation method belong to the field of oxide semiconductor gas sensor technology. Sensor for tubular structure consists of an outer surface coated with Al2O3 ceramic and two discrete parallel cyclic Au electrode tube, welding in the ring on a Au electrode wire, through the Pt Al2O3 ceramic tube core Ni Cr alloy heating coil and coated core-shell microspheres in Al2O3 ceramic tube and annular Au junction LaFeO3 electrode. Sensitive nano structure composition. The sensor of the invention has the advantages of high integration, simple structure, low price, small volume, strong and durable and mass production, and the test results show that the gas sensing properties of the sensor can have faster response speed and excellent stability of the recovery of acetone gas so that the long term, it has an important application prospect in the acetone gas in the indoor environment detection.

【技术实现步骤摘要】
一种基于核壳微球结构的LaFeO3纳米敏感材料的丙酮气体传感器及其制备方法
本专利技术属于氧化物半导体气体传感器
，具体涉及一种基于核壳微球结构的LaFeO3纳米敏感材料的丙酮气体传感器及其制备方法。
技术介绍
随着现代科技的发展,汽车尾气的任意排放，工业废气产生的各种有毒有害气体和可燃性气体，破坏了人类的生存环境。家庭装修产生的苯、甲醛、VOC气体等，瓦斯等气体泄漏而导致的爆炸都威胁着人类的健康和生命财产安全。所以，对于有毒有害气体的检测显得尤为重要。用于检测这些气体的气敏材料的研究也越来越受到重视。在众多种类的气体敏感元件中，电阻型半导体氧化物气体敏感元件占据主导地位，主要因为其具有检测灵敏度高、响应恢复时间快、电路简单，操作简单、元件尺寸微小、价格低廉等优点。近年来，随着纳米科学技术的发展，人们尝试通过如开发新型氧化物基体材料，通过掺杂、复合和表面修饰等方法对材料进行改性和微观形貌结构优化等方法来提高传感器的性能。LaFeO3是一种典型的具有钙钛矿(ABO3)结构的复合金属氧化物，因其稳定的晶体结构，独特的电磁、催化和气敏性能，一直是国内外相关领域的研究热点。然而，作为气敏材料，尽管许多的合成制备方法已经被提出和实现，但是因为得到的材料形貌主要是一些低维结构，所以得到的检测气体的灵敏度结果并不理想。因此，采用新的合成路线，制备出高维的微观结构的LaFeO3纳米敏感材料来提高它的识别功能、转换功能和敏感体利用率，从而获得更好的传感性能，变得十分重要。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种基于核壳微球结构的LaFeO3纳米敏感材料的丙酮气体传感器及其制备方法，从而实现对丙酮气体低功耗的检测。本专利技术首先以六水合硝酸镧，九水合硝酸铁作为镧源和铁源，水和乙二醇的混合溶液作为溶剂，采用无模板的简单的水热合成方法，得到LaFeO3纳米敏感材料的前驱液，之后在空气中进行高温烧结，除去物理吸附水以及有机物和其他硝酸盐，最后进行化学腐蚀进一步除掉多余杂质，烘干后得到最终的核壳微球结构的LaFeO3纳米敏感材料。这种特殊的结构，具有很好的多孔性和较大的比表面积，能够增加目标气体的透过率并且吸附更多的气体分子，因此提高了传感器的灵敏度。本专利技术所述的是一种基于核壳微球结构的LaFeO3纳米敏感材料的丙酮气体传感器为管式结构，由外表面涂有两条平行且分立的环状Au电极的Al2O3陶瓷管、焊在环状Au电极上的Pt丝、穿过Al2O3陶瓷管管芯的Ni-Cr合金加热线圈和涂敷在Al2O3陶瓷管和环状Au电极上的敏感材料构成，其特征在于：敏感材料为核壳微球结构的LaFeO3纳米敏感材料，且其由如下步骤制备得到：(1)首先将0.3～0.4g的La(NO3)3·6H2O和0.2～0.4g的Fe(NO3)3·9H2O溶于30～50mL的水和乙二醇的混合溶液中，水和乙二醇体积比15～20：1，搅拌20～40min，得到澄清透明的溶液；(2)向步骤(1)得到的溶液中加入0.1～0.2g柠檬酸和0.5～0.7gPVP，继续搅拌20～40min；(3)将步骤(2)得到的溶液在120～160℃条件下水热反应10～15h；(4)将步骤(3)反应得到的沉淀物用乙醇和去离子水反复离心洗涤5～8次，之后于空气中70～90℃条件下烘干10～20h；(5)将步骤(4)得到的粉末在700～900℃条件下烧结1.5～3h；(6)将步骤(5)得到的粉末溶于0.3～0.8mol/L的盐酸溶液中，搅拌5～15min后，在70～90℃条件下烘干10～20h得到核壳微球结构的LaFeO3纳米敏感材料。本专利技术所述的一种基于核壳微球结构的LaFeO3纳米敏感材料的丙酮气体传感器的制备方法，其步骤如下：(1)取10～20mg核壳微球结构的LaFeO3纳米敏感材料粉末与0.5～1mL去离子水混合，研磨形成糊状浆料，然后蘸取少量浆料均匀地涂覆在外表面自带有两条平行、环状且彼此分立的Au电极的Al2O3陶瓷管外表面，形成10～30μm厚的敏感材料薄膜，并使敏感材料完全覆盖环形Au电极；(2)在50℃～100℃下烘烤30～45min，待敏感材料干燥后，把Al2O3陶瓷管在400～450℃下烧结2～3h；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，从而得到基于核壳微球结构的LaFeO3纳米敏感材料的丙酮气体传感器。所述的Al2O3陶瓷管的长为4～4.5mm，外径为1.2～1.5mm，内径为0.8～1.0mm。本专利技术所述的管式丙酮气体传感器利用核壳微球结构的LaFeO3作为敏感材料。其机理为：核壳的微球结构，疏松多孔，内部有一定的中空结构，比表面积大，所以更有利于气体透过进入敏感层内部，同时提供了更多的活性位点以吸附更多的目标气体分子发生表面反应，使敏感材料的利用率大大增加。本专利技术采用了无模板水热合成方法，操作简单，成本低廉，污染少，可控形貌。采用市售的管式传感器工艺简单，体积小，利于工业上批量生产，因此在医疗检测，工业安全控制等方面有广阔的应用前景。附图说明图1为本专利技术的核壳微球结构的LaFeO3纳米敏感材料的SEM图，其中(a)图的放大倍数为5000倍，(b)图的放大倍数为70000倍；图2为本专利技术的核壳微球结构的LaFeO3纳米敏感材料的XRD图谱；图3为本专利技术的对比例1和实施例1中传感器在不同工作温度下对20ppm丙酮的灵敏度对比图；图4为本专利技术的对比例1和实施例1中传感器分别在工作温度为250℃和225℃时，对100ppm不同气体的选择性对比图；图5为本专利技术的对比例1和实施例1中传感器分别在工作温度为250℃和225℃时，器件灵敏度-丙酮浓度特性曲线。如图1所示，实施例1的(a)图中可以看出，制备的材料为表面粗糙的球形结构，直径为1～1.5μm；(b)图中能够看出，材料是一种中空球形外壳内部嵌套一个实心小球的核壳结构。如图2所示，实施例1制备的核壳微球结构的LaFeO3纳米敏感材料的XRD图。从图中可以看出所制备的材料的特征峰完全符合标准卡，没有其他多余峰的出现，说明制备的材料为纯净的LaFeO3。如图3所示，对比例1的最佳工作温度为250℃，实施例1的最佳工作温度为225℃，此时器件对20ppm丙酮的灵敏度分别为2.9和和6.7。如图4所示，对比例1和实施例1中传感器均对丙酮具有较高的灵敏度。且与对比例相比，实施例中传感器的选择性均得到了极大的改善。如图5所示，当器件在各自的最佳工作温度时，所有器件的灵敏度均随着丙酮浓度的增加而增大，且增长趋势逐渐变缓。其中，实施例1中传感器表现出最佳的气敏特性。通过改变流过Ni-Cr合金加热线圈的电流来调控传感器的工作温度，通过测量传感器处于不同气体中时两个环状Au电极之间的电阻值可以获得传感器的灵敏度。传感器对于丙酮气体的灵敏度S定义为：S＝Rg/Ra，其中Rg和Ra分别为传感器在给定浓度的丙酮气体和空气中时两金电极间的电阻值。通过灵敏度与气体浓度特性曲线，可以实现对未知丙酮气体浓度的测量。具体实施方式对比例1：以通过缩短水热反应时间制备的实心微球结构的LaFeO3作为敏感材料制作管式丙酮气体传感器，其具体的制作过程如下：1)首先将0.32g的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于核壳微球结构的LaFeO3纳米敏感材料的丙酮气体传感器，为管式结构，由外表面涂有两条平行且分立的环状Au电极的Al2O3陶瓷管、焊在环状Au电极上的Pt丝、穿过Al2O3陶瓷管管芯的Ni‑Cr合金加热线圈和涂敷在Al2O3陶瓷管和环状Au电极上的敏感材料构成，其特征在于：敏感材料为核壳微球结构的LaFeO3纳米敏感材料，且其由如下步骤制备得到，(1)首先将0.3～0.4g的La(NO3)3·6H2O和0.2～0.4g的Fe(NO3)3·9H2O溶于30～50mL的水和乙二醇的混合溶液中，水和乙二醇体积比15～20：1，搅拌20～40min，得到澄清透明的溶液；(2)向步骤(1)得到的溶液中加入0.1～0.2g柠檬酸和0.5～0.7g PVP，继续搅拌20～40min；(3)将步骤(2)得到的溶液在120～160℃条件下水热反应10～15h；(4)将步骤(3)反应得到的沉淀物用乙醇和去离子水反复离心洗涤5～8次，之后于空气中70～90℃条件下烘干10～20h；(5)将步骤(4)得到的粉末在700～900℃条件下烧结1.5～3h；(6)将步骤(5)得到的粉末溶于0.3～0.8mol/L的盐酸溶液中，搅拌5～15min后，在70～90℃条件下烘干10～20h得到核壳微球结构的LaFeO3纳米敏感材料。...

【技术特征摘要】
1.一种基于核壳微球结构的LaFeO3纳米敏感材料的丙酮气体传感器，为管式结构，由外表面涂有两条平行且分立的环状Au电极的Al2O3陶瓷管、焊在环状Au电极上的Pt丝、穿过Al2O3陶瓷管管芯的Ni-Cr合金加热线圈和涂敷在Al2O3陶瓷管和环状Au电极上的敏感材料构成，其特征在于：敏感材料为核壳微球结构的LaFeO3纳米敏感材料，且其由如下步骤制备得到，(1)首先将0.3～0.4g的La(NO3)3·6H2O和0.2～0.4g的Fe(NO3)3·9H2O溶于30～50mL的水和乙二醇的混合溶液中，水和乙二醇体积比15～20：1，搅拌20～40min，得到澄清透明的溶液；(2)向步骤(1)得到的溶液中加入0.1～0.2g柠檬酸和0.5～0.7gPVP，继续搅拌20～40min；(3)将步骤(2)得到的溶液在120～160℃条件下水热反应10～15h；(4)将步骤(3)反应得到的沉淀物用乙醇和去离子水反复离心洗涤5～8次，之后于空气中70～90℃条件下烘干10～20h；(5)将步骤(4)得到的粉...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙鹏，王博群，卢革宇，刘方猛，梁喜双，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22