一种Cu掺杂ZnFe2O4纳米颗粒及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于零维金属氧化物半导体材料的气体传感器技术领域，具体涉及一种Cu掺杂ZnFe2O4纳米颗粒及其制备方法和应用。将FeCl3、ZnCl2、CuCl2和CON2H4按摩尔比10:10:8～15:330溶于去离子水中，其中FeCl3与去离子水的比例为1:50mol/L，磁力搅拌，得到混合溶液；经洗涤、干燥、热处理后得Cu掺杂ZnFe2O4纳米颗粒。将Cu掺杂ZnFe2O4纳米颗粒制成低温气体传感器的气敏涂层，该气体传感器在25～50℃时即可获得对H2S气体的较大灵敏度，解决了传统金属氧化物半导体式气体传感器在低温区域气敏特性较差的问题，是具有良好发展前景的气体传感器。

A Cu-doped ZnFe2O4 nanoparticle and its preparation method and Application

The invention belongs to the field of gas sensor technology of zero-dimensional metal oxide semiconductor material, in particular to a Cu-doped ZnFe2O4 nanoparticle and its preparation method and application. FeCl3, ZnCl2, CuCl2 and CON2H4 were dissolved in deionized water at the ratio of 10:10:8 to 15:330, in which the ratio of FeCl3 to deionized water was 1:50 mol/L, and the mixed solution was obtained by magnetic stirring. After washing, drying and heat treatment, Cu-doped ZnFe2O4 nanoparticles were obtained. The gas sensor coated with Cu doped ZnFe2O4 nanoparticles can obtain high sensitivity to H2S gas at 25-50 C. It solves the problem of poor gas sensitivity of traditional metal oxide semiconductor gas sensor in low temperature region. It is a gas sensor with good development prospects.

【技术实现步骤摘要】
一种Cu掺杂ZnFe2O4纳米颗粒及其制备方法和应用
本专利技术属于零维金属氧化物半导体材料的气体传感器
，具体涉及一种Cu掺杂ZnFe2O4纳米颗粒及其制备方法和应用。
技术介绍
随着国内经济的快速发展，城市化及工业化进程的不断加快，尤其在矿石开采、煤炭、化工、制造加工、石油、汽车等领域，在产品的生产过程以及使用过程中，不断排放出多种有毒有害或易燃易爆的气体，这些气体若泄漏到空气中会严重地污染环境，并是引发爆炸、火灾或使人中毒的潜在危险源。为了有效防治有害气体的泄漏，有效保护环境和人民财产及人身安全，对其进行快速、准确、便携的检测非常必要。因此，研制和开发高性能的气体传感器势在必行，不仅可以有效地减少潜在安全事故的发生，同时还可为后续的有害气体处理提供可靠的前期保障，具有十分重要的现实意义。近年来，基于不同气敏材料和传导平台的气体传感器发展迅猛，气体传感器的种类繁多，根据气敏材料工作特性与敏感原理可将其分为半导体式气体传感器、接触燃烧式气体传感器、电化学式气体传感器、固体电解质式气体传感器等。其中，金属氧化物半导体式气体传感器由于具有制备工艺简单、成本低廉、结构可控、响应速度快、灵敏度高、检测气体浓度下限低等优点，成为目前应用最为广泛的一类气体传感器。目前市售的金属氧化物半导体式气体传感器普遍采用的是传统的SnO2、ZnO、WO3等相应的纳米薄膜、纳米颗粒及微米球作为气敏材料，但均属于单金属氧化物气敏材料，由于气敏材料组成元素中单金属元素的限制，导致气敏元件对于特定气体的灵敏度低且选择性差。因此，目前研究人员把更多的注意力关注在具有多种金属元素的多元金属氧化物半导体材料，以提供灵敏度高、选择性好、性能更加优良的气敏材料。ZnFe2O4作为一种常见的n型多金属氧化物半导体材料，具有非常优异的光催化、气敏特性及磁学性能，因而在脱氢催化、软磁材料、气体传感器及废气处理等方面具有广泛的用途。ZnFe2O4纳米材料的常用制备方法包括固相法、液相法。然而，对ZnFe2O4纳米材料气敏特性的相关研究成果非常少，其相应的气敏材料主要以不规则微米级及亚微米级块状材料为主。与不规则微米级及亚微米级块状材料相比，零维纳米颗粒具有更大的比表面积和表面活性，因而表现出的气敏性能也将更加优越。此外，目前大多数半导体氧化物气体传感器均在200℃以上的工作温度下才能得到较好的气敏特性，导致在气体检测过程中能耗高且传感器集成较为复杂。因此，进一步提高低温工作条件下气体传感器的灵敏度和选择性是目前的研究热点。
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工作温度和选择性方面的不足，本专利技术提供一种Cu掺杂ZnFe2O4纳米颗粒及其制备方法和应用，气敏涂层为Cu掺杂ZnFe2O4纳米颗粒的低温气体传感器。目的是通过水热合成法制备出具有形貌均一、分散性好、结晶好、比表面积大、性质稳定等优点的Cu掺杂ZnFe2O4纳米颗粒，并利用这些Cu掺杂ZnFe2O4纳米颗粒制作成具有工作温度低、灵敏度高、可逆性好、选择性好等优点的气体传感器，以克服现有的气体传感器存在的选择性差和工作温度高等问题。一种Cu掺杂ZnFe2O4纳米颗粒的制备方法，按如下步骤进行：将FeCl3、ZnCl2、CuCl2和CON2H4按摩尔比10:10:8～15:330溶于去离子水中，其中FeCl3与去离子水的比例为1:50mol/L，磁力搅拌10～30min，得到混合溶液；将混合溶液置于反应釜中，在真空式干燥箱中150～180℃反应4～13h，经洗涤、干燥、热处理后得Cu掺杂ZnFe2O4纳米颗粒。本专利技术所述反应釜优选的为聚四氟乙烯内胆的不锈钢反应釜。优选地，所述洗涤步骤为用去离子水和无水乙醇分别洗涤2～3次。优选地，所述干燥步骤为在鼓风式干燥箱中60～80℃干燥3～8h。优选地，所述热处理步骤为在空气中于500℃热处理2～4h。本专利技术的又一目的是提供一种根据下述方法制备所得的Cu掺杂ZnFe2O4纳米颗粒，所述Cu掺杂ZnFe2O4纳米颗粒为球状颗粒，直径为30～50nm，其晶体结构为六方相尖晶石晶体结构，其中Cu以晶格替换Zn的方式进入ZnFe2O4晶格中。所述方法为一种Cu掺杂ZnFe2O4纳米颗粒的制备方法，按如下步骤进行：将FeCl3、ZnCl2、CuCl2和CON2H4按摩尔比10:10:8～15:330溶于去离子水中，其中FeCl3与去离子水的比例为1:50mol/L，磁力搅拌10～30min，得到混合溶液；将混合溶液置于反应釜中，在真空式干燥箱中150～180℃反应4～13h，经洗涤、干燥、热处理后得Cu掺杂ZnFe2O4纳米颗粒。本专利技术Cu掺杂ZnFe2O4纳米颗粒，球体大小均匀且分散性较好。本专利技术的又一目的是提供一种气敏涂层为Cu掺杂ZnFe2O4纳米颗粒的低温气体传感器，所述传感器主要由铂金导线、陶瓷管、气敏涂层、金电极、加热丝和基座组成，加热丝从陶瓷管内部穿过，将加热丝两端焊接在基座的加热电极上，金电极覆在陶瓷管外表面的两端并通过铂金导线焊接在基座相应的四个测量电极上，气敏涂层涂覆在陶瓷管外表面并将金电极完全覆盖；气敏涂层为Cu掺杂ZnFe2O4纳米颗粒。所述Cu掺杂ZnFe2O4纳米颗粒为球状颗粒，直径为30～50nm，其晶体结构为六方相尖晶石晶体结构，其中Cu以晶格替换Zn的方式进入ZnFe2O4晶格中。本专利技术的另一目的是提供一种气敏涂层为Cu掺杂ZnFe2O4纳米颗粒的低温气体传感器的制备方法，按如下步骤进行：①制备Cu掺杂ZnFe2O4纳米颗粒，所述Cu掺杂ZnFe2O4纳米颗粒为球状颗粒，直径为30～50nm，其晶体结构为六方相尖晶石晶体结构，其中Cu以晶格替换Zn的方式进入ZnFe2O4晶格中，将所述Cu掺杂ZnFe2O4纳米颗粒中加入无水乙醇研磨10～30min形成糊状料浆；②将加热丝从陶瓷管中穿过并将加热丝两端焊接在基座的加热电极上，将铂金导线焊接在基座的四个测量电极上，金电极覆在陶瓷管外表面的两端；③将糊状料浆均匀涂于陶瓷管外表面并将金电极完全覆盖，室温下干燥10～60min形成气敏涂层；④置于老化台上于200～300℃热处理10～24h,得气敏涂层为Cu掺杂ZnFe2O4纳米颗粒的低温气体传感器。优选地，所述Cu掺杂ZnFe2O4纳米颗粒的制备步骤按如下步骤进行：将FeCl3、ZnCl2、CuCl2和CON2H4按摩尔比10:10:8～15:330溶于去离子水中，FeCl3与去离子水的比例为1:50mol/L，磁力搅拌10～30min，得到混合溶液；将混合溶液置于反应釜中，在真空式干燥箱中150～180℃反应4～13h，经洗涤、干燥、热处理后得Cu掺杂ZnFe2O4纳米颗粒。与现有技术相比，本专利技术的特点和有益效果是：本专利技术提供了一种Cu掺杂ZnFe2O4纳米颗粒及其制备方法和应用，其应用是一种气敏涂层为Cu掺杂ZnFe2O4纳米颗粒的低温气体传感器，这种气体传感器具有工作温度低、灵敏度高、能耗低、选择性好等优点。从制备方法上来看，本专利技术首先利用水热合成法制备出具有结晶好、形貌均一、分散性好、比表面积大、灵敏度高、选择性好的Cu掺杂ZnFe2O4纳米颗粒，填补了利用水热法一步合成Cu掺杂ZnFe2O4零维纳米颗粒相关本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Cu掺杂ZnFe2O4纳米颗粒的制备方法，其特征在于，按如下步骤进行：将FeCl3、ZnCl2、CuCl2和CON2H4按摩尔比10:10:8～15:330溶于去离子水中，其中FeCl3与去离子水的比例为1:50mol/L，磁力搅拌10～30min，得到混合溶液；将混合溶液置于反应釜中，在真空式干燥箱中150～180℃反应4～13h，经洗涤、干燥、热处理后得Cu掺杂ZnFe2O4纳米颗粒。

【技术特征摘要】
1.一种Cu掺杂ZnFe2O4纳米颗粒的制备方法，其特征在于，按如下步骤进行：将FeCl3、ZnCl2、CuCl2和CON2H4按摩尔比10:10:8～15:330溶于去离子水中，其中FeCl3与去离子水的比例为1:50mol/L，磁力搅拌10～30min，得到混合溶液；将混合溶液置于反应釜中，在真空式干燥箱中150～180℃反应4～13h，经洗涤、干燥、热处理后得Cu掺杂ZnFe2O4纳米颗粒。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述洗涤步骤为用去离子水和无水乙醇分别洗涤2～3次。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述干燥步骤为在鼓风式干燥箱中60～80℃干燥3～8h。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热处理步骤为在空气中于500℃热处理2～4h。5.权利要求1所述方法制备所得的Cu掺杂ZnFe2O4纳米颗粒，其特征在于，所述Cu掺杂ZnFe2O4纳米颗粒为球状颗粒，直径为30～50nm，其晶体结构为六方相尖晶石晶体结构，其中Cu以晶格替换Zn的方式进入ZnFe2O4晶格中。6.一种气敏涂层为Cu掺杂ZnFe2O4纳米颗粒的低温气体传感器，其特征在于，所述传感器主要由铂金导线、陶瓷管、气敏涂层、金电极、加热丝和基座组成，加热丝从陶瓷管内部穿过，将加热丝两端焊接在基座的加热电极上，金电极覆在陶瓷管外表面的两端并通过铂金导线焊接在基座相应的四个测量电极上，气敏涂层涂覆在陶瓷管外表面...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈岩柏，张威，赵思凯，李停停，卢瑞，李昂，韩聪，魏德洲，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21