一种基于电极表面原位生长NiO纳米薄膜的NO2传感器制造技术

发明专利技术涉及一种基于电极表面原位生长NiO纳米薄膜的NO2传感器及其制备方法，属于一维金属氧化物半导体材料的气体传感器技术领域。一种基于电极表面原位生长NiO纳米薄膜的NO2传感器，所述传感器由电极元件及均匀原位生长在电极元件表面的NiO薄膜组成，其中，所述NiO薄膜由NiO晶体颗粒构成，所述NiO晶体颗粒为面心立方相晶体结构，直径为20～30nm。该气体传感器在工作温度为150℃时获得对NO2的最大灵敏度，响应和恢复时间短，选择性高，长期稳定性好，有效解决了传统金属氧化物半导体式气体传感器制备工艺流程复杂、选择性与长期稳定性较差等不足，是具有良好发展前景的NO2气体传感器。

A NO2 sensor based on the in situ growth of NiO nanometers on the electrode surface

The invention relates to a NO2 sensor based on the in-situ growth of NiO nano film on the electrode surface and a preparation method thereof, which belongs to the technology field of one-dimensional metal oxide semiconductor gas sensor. A kind of NiO nano films grown in situ surface electrode based on NO2 sensor, the sensor is composed of electrode elements and uniform in-situ composition in NiO thin film electrode surface, the NiO thin film by NiO crystal particles, the NiO crystal particles for face centered cubic crystal structure, the diameter is 20 ~ 30nm. The maximum sensitivity of NO2 gas sensor in the working temperature is 150 degrees centigrade, short response time and recovery time, high selectivity, good long-term stability, effectively solve the traditional metal oxide semiconductor gas sensor fabrication process is complex, selectivity and long-term stability is weak, is NO2 gas sensor with good development prospect.

【技术实现步骤摘要】
一种基于电极表面原位生长NiO纳米薄膜的NO2传感器
本专利技术涉及一种基于电极表面原位生长NiO纳米薄膜的NO2传感器及其制备方法，属于一维金属氧化物半导体材料的气体传感器

技术介绍
随着社会的发展和科学技术的进步，人们的生活质量发生了革命性的变化，但与此同时带来的各种负面问题也不断凸显。近年来，雾霾、温室效应、酸雨等威胁人们身体健康的现象不断加剧，煤气泄漏、瓦斯爆炸、气体中毒等威胁人们生命安全的事故频频发生，使得人们对于污染、危险、有害气体的检测与报警的需求不断提升，从而对高性能气体传感器的研制提出了更加迫切与苛刻的要求。目前气体传感器的种类很多，根据气敏材料与作用效应可分为半导体式气体传感器、电化学式气体传感器、固体电解质式气体传感器、接触燃烧式气体传感器、光学式气体传感器，高分子式气体传感器等。其中，金属氧化物半导体式气体传感器由于具有响应速度快、灵敏度高、检测气体浓度下限低、全固态、体积小等优点，是目前应用最为广泛的一类气体传感器。气体传感器的工作环境复杂，通常含有多种有毒有害气体，对于金属氧化物半导体气体传感器而言，其气体选择性较差一直是制约其进一步发展的重要因素。NiO是一种p型宽禁带金属氧化物半导体材料，其禁带宽度在3.6～4.0eV左右。NiO材料具有非常优异的电子传输性能和化学稳定性，在电致变色、催化、磁材、电池、气体传感器等领域都展现出了良好的应用前景。由于其具有较高的气体灵敏度、低成本、与各种微纳米技术较好的兼容性等优点，一度被认为是气敏材料的最佳候选者之一。目前气敏元件的制备方法基本都是将事先制备而成的气敏材料人工涂抹于电极上，使得气敏材料与基板结合力较差，从而导致气敏元件的长期稳定性较差。
技术实现思路
针对目前金属氧化物半导体式气体传感器在气体选择性和长期稳定性方面的不足，本专利技术提供一种基于电极表面原位生长NiO纳米薄膜的NO2传感器及其制备方法。目的是通过溶胶-凝胶提拉涂膜法在电极表面原位生长出表面形貌均一、性质稳定、疏松多孔的NiO纳米薄膜，并制备成具有高选择性、优异长期稳定性的NO2传感器，以克服现有传感器选择性不高、长期稳定性较差等不足。一种NO2传感器，所述传感器由电极元件及均匀原位生长在电极元件表面的NiO薄膜组成，其中，所述NiO薄膜由NiO晶体颗粒构成，所述NiO晶体颗粒为面心立方相晶体结构，直径为20～30nm。本专利技术所述NO2传感器，所述NiO纳米薄膜为检测NO2气体的气敏材料。上述技术方案中，所述NiO纳米薄膜具有表面形貌均一、疏松多孔的结构特性。上述技术方案中，优选所述电极元件的材质为Al2O3陶瓷材料或金。上述技术方案中，优选所述电极元件的形状为管状或平面。进一步地，最优选所述电极元件为管状陶瓷元件或平面金元件。上述技术方案中，优选所述传感器是通过在电极元件表面原位生长NiO纳米薄膜所得。进一步地，所述原位生长NiO纳米薄膜的方法为：采用提拉涂膜法在电极元件表面涂覆NiO溶胶，干燥；将表面涂覆有NiO溶胶的电极元件进行热处理，条件为：以3℃/min的升温速率加热至500℃并保持1h；250～300℃下老化24h，既得。更进一步地，所述NiO溶胶按如下方法制得：室温下，向四水合乙酸镍中加入乙二醇甲醚，搅拌，使四水合乙酸镍完全溶于乙二醇甲醚之中；将所形成的溶液于60℃搅拌2h，并向溶液中逐滴滴加25～28wt.％的氨水；密封，在室温下陈化24h，过滤，得到NiO溶胶，其中，四水合乙酸镍、氨水、乙二醇甲醚的摩尔比为5～7:5～7:100。上述技术方案中，所述四水合乙酸镍、氨水、乙二醇甲醚的摩尔比中氨水的量以氨水中的溶质计。更进一步地，所述提拉涂膜于提拉涂膜机中进行，涂膜后进行干燥，所述提拉涂膜机设置参数为：行程6cm，下降速度300～500μm/s，静止时间30～60s，上升速度300～400μm/s；如需增加涂膜层数，则重复上述步骤。与现有技术相比，本专利技术的特点和优异效果是：本专利技术提供了一种基于电极表面原位生长、制备方法简单、选择性高、长期稳定性好等优点的NiO纳米薄膜NO2传感器及其制备方法。从制备方法上看，本专利技术首先通过溶胶-凝胶法在电极表面原位生长出了一层NiO纳米薄膜，然后经过老化处理制备成气体传感器。该气体传感器在工作温度为150℃时获得对NO2的最大灵敏度，响应和恢复时间短，选择性高，长期稳定性好，有效解决了传统金属氧化物半导体式气体传感器制备工艺流程复杂、选择性与长期稳定性较差等不足，是具有良好发展前景的NO2气体传感器。附图说明图1为实施例1和实施例2中基于管状陶瓷电极表面原位生长NiO纳米薄膜的NO2传感器的结构示意图。其中，1：Al2O3陶瓷管；2：NiO气敏涂层；3：加热电阻丝；4：金电极；5：铂金引线。图2为本专利技术制备的NiO纳米薄膜的X射线衍射图谱；图3为本专利技术制备的NiO纳米薄膜的(a)低倍率和(b)高倍率扫描电子显微镜照片；图4为本专利技术制备的构成NiO纳米薄膜的NiO晶粒的透射电子显微镜图；图5为本专利技术制备的气体传感器对20ppmNO2的灵敏度与工作温度之间的关系图；图6为本专利技术制备的气体传感器在工作温度为150℃时对不同浓度NO2的动态响应曲线图；图7为本专利技术制备的气体传感器在工作温度为150℃时灵敏度与NO2气体浓度之间的关系图；图8为本专利技术制备的气体传感器在工作温度为150℃时对不同被检测气体的灵敏度图；图9为本专利技术制备的气体传感器在工作温度为150℃时对20ppmNO2的灵敏度随时间的变化图；图10为实施例3和实施例4中基于平面金电极表面原位生长NiO纳米薄膜的NO2传感器元件示意图；其中：6：平面Al2O3陶瓷基板；7：NiO气敏涂层；8：加热电阻；9：金电极；10：铂金引线。具体实施方式下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本专利技术，但不以任何方式限制本专利技术。下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。下述实施例中所述气敏测试系统为炜盛科技WS-30A型气敏测试系统；所述老化台为炜盛科技TS-60型老化台。下述实施例中所述的NO2传感器按下述制备方法获得：(1)用电子天平称取定量的四水合乙酸镍放入三角瓶中，用移液管向三角瓶中加入定量的乙二醇甲醚，然后在室温下用磁力搅拌器混合搅拌3h使四水合乙酸镍完全溶于乙二醇甲醚之中。将所形成的溶液在60℃恒温水浴槽中搅拌2h，并向溶液中逐滴滴加一定量的氨水作为稳定剂/络合剂。其中，四水合乙酸镍、氨水、乙二醇甲醚的摩尔比为5～7:5～7:100。之后取出三角瓶密封，在室温下陈化24h得到NiO溶胶。将得到的NiO溶胶用中速定性滤纸过滤，密封待用。(2)将待涂膜的电极元件分别用去离子水和乙醇溶液清洗干净，然后将其固定在提拉涂膜机的基片固定处，同时将盛有待用NiO溶胶的烧杯放入提拉涂膜机的料杯放置区。(3)设置提拉涂膜机的相关参数：行程6cm，下降速度300～500μm/s，静止时间30～60s，上升速度300～400μm/s，然后开始进行提拉涂膜。提拉涂膜结束后，将电极置于电热鼓风干燥箱中，在80℃条件下干燥30min，之后取出冷却至室温。如需增加涂膜层数，则重复上述步骤(3)。(4)将本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于电极表面原位生长NiO纳米薄膜的NO2传感器，其特征在于：所述传感器由电极元件及均匀原位生长在电极元件表面的NiO薄膜组成，其中，所述NiO薄膜由NiO晶体颗粒构成，所述NiO晶体颗粒为面心立方相晶体结构，直径为20～30nm。

【技术特征摘要】
1.一种基于电极表面原位生长NiO纳米薄膜的NO2传感器，其特征在于：所述传感器由电极元件及均匀原位生长在电极元件表面的NiO薄膜组成，其中，所述NiO薄膜由NiO晶体颗粒构成，所述NiO晶体颗粒为面心立方相晶体结构，直径为20～30nm。2.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Al2O3陶瓷材料或金。3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述电极元件的形状为管状或平面。4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述传感器是通过在电极元件表面原位生长NiO纳米薄膜所得。5.根据权利要求4所述的传感器，其特征在于：所述原位生长NiO纳米薄膜的方法为：采用提拉涂膜法在电极元件表面涂覆NiO溶胶，干燥；将表面涂覆有NiO溶胶的电极元件进行热处理，条件为：以...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈岩柏，赵思凯，李婷婷，李国栋，魏德洲，高淑玲，韩聪，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21