一种基于SnO2-Co3O4异质结纳米结构敏感材料的二甲苯气体传感器及其制备方法技术

一种基于SnO2‑Co3O4异质结纳米结构敏感材料的二甲苯气体传感器及其制备方法，属于半导体氧化物气体传感器技术领域。由外表面带有两条平行、环状且彼此分立的金电极的陶瓷管衬底、涂覆在陶瓷管外表面和金电极上的SnO2‑Co3O4异质结纳米结构敏感材料、置于陶瓷管内的镍铬合金加热丝组成；本发明专利技术所述的基于SnO2‑Co3O4异质结纳米结构敏感材料的传感器对二甲苯表现出优异的灵敏度(101.9～100ppm)以及较低的检测下限(0.05ppm)。制备器件的工艺简单、体积小、适于大批量生产，在检测微环境中二甲苯污染物方面有广阔的应用前景。

A Xylene Gas Sensor Based on SnO 2-Co 3O 4 Heterojunction Nanostructure Sensitive Material and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种基于SnO2-Co3O4异质结纳米结构敏感材料的二甲苯气体传感器及其制备方法
本专利技术属于半导体氧化物气体传感器
，具体涉及一种基于SnO2-Co3O4异质结纳米结构敏感材料的二甲苯气体传感器及其制备方法。
技术介绍
二甲苯广泛用于涂料、树脂、染料、油墨等行业做溶剂；用于医药、炸药、农药等行业做合成单体或溶剂；也可作为高辛烷值汽油组分，是有机化工的重要原料。然而，类似于其他有机溶剂，二甲苯对眼睛及上呼吸道有刺激作用，高浓度时，对中枢系统具有麻醉作用。因此，研制具有高灵敏度以及痕量气体检测下限的二甲苯气体传感器具有十分重要的意义。在种类众多的气体传感器中，以半导体氧化物为敏感材料的电阻型气体传感器具有灵敏度高、检测下限低、选择性好、响应和恢复速度快、制作方法简单、成本较低等优点，是目前应用最广泛的气体传感器之一。随着纳米科学与技术的发展，将气敏材料调控成纳米结构能够极大地提高材料的比表面积，增加活性位点，可以使气敏特性得到改善。另外，通过使两种气敏材料相结合，利用它们之间的协同效应可以使得气敏材料得到进一步改性，从而获得更好的气敏特性。Co3O4作为一种代表性的p型半导体功能材料，适用于如锂离子电池，超级电容器和多相催化等各种领域的应用，但是由于它们通常具有比n型半导体更低的响应，所以包括Co3O4在内的所有p型半导体氧化物很少以其原始形式用于传感应用。然而得益于Co3O4具有良好的催化效果和高吸附氧的优点，使得其在传感领域的应用仍然具有很大的开发价值。通过将两个或多个具有不同带隙的半导体组合以形成异质结，可以优化气体传感器的气敏特性。因此本专利技术结合SnO2高电子迁移率以及高化学稳定性等优点，对Co3O4材料进一步改性，进而使得气体传感器的气敏特性显著提高。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于SnO2-Co3O4异质结纳米结构敏感材料的二甲苯气体传感器及其制备方法。利用SnO2-Co3O4异质结纳米结构作为敏感材料，一方面Co3O4对多种VOC气体都具有较好的催化氧化活性，而且针对苯、甲苯、二甲苯一类反应活性较低的气体仍然可以起到很好的催化效果；另一方面经过SnO2改性以后，极大地提高了Co3O4的异质结纳米结构的比表面积，使得吸附氧能力增强，所以会引起更多的氧分子参与反应；此外，由于SnO2与Co3O4之间异质结的存在，使得载流子的调制作用更加明显，导致敏感材料的电阻变化的更加明显。这三方面的共同作用大幅提高了气体与敏感材料的反应效率，进而提高了传感器的灵敏度。本专利技术所采用的市售的管式结构传感器制作工艺简单，体积小，利于工业上批量生产，因此具有重要的应用价值。本专利技术所述的基于SnO2-Co3O4异质结纳米结构敏感材料的二甲苯气体传感器，由外表面带有两条平行、环状且彼此分立的金电极的陶瓷管衬底、涂覆在陶瓷管外表面和金电极上的敏感材料、置于陶瓷管内的镍铬合金加热丝组成；其特征在于：敏感材料为SnO2-Co3O4异质结纳米结构敏感材料，且由如下步骤制备得到：(1)首先量取15～30mL去离子水与15～30mL乙二醇，将其混合后搅拌均匀；(2)将0.2～0.3g的四水合醋酸钴(C4H6CoO4·4H2O)、0.4～0.6g的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、0.4～0.6g的谷氨酸(L-Glutamicacid)加入到步骤(1)的去离子水与乙二醇的混合溶液中；搅拌10～20分钟以后，再加入0.1～0.2g的尿素(CH4N2O)和0.05～0.06g的五水氯化锡(SnCl4.5H2O)，并保持不断地搅拌直至其全部溶解；(3)把步骤(2)得到的溶液转移到水热釜中，在150～190℃下保持12～14小时后取出，自然冷却至室温后将生成的沉淀用去离子水和乙醇多次离心清洗，在室温下干燥后再在400～500℃下煅烧1～2小时，从而得到SnO2-Co3O4异质结纳米结构粉末。本专利技术所述的一种基于SnO2-Co3O4异质结纳米结构敏感材料的二甲苯气体传感器的制备方法，其步骤如下：①取适量的去离子水与SnO2-Co3O4异质结纳米结构粉末均匀混合，并研磨形成糊状浆料，然后蘸取少量浆料均匀地涂覆在外表面带有两条平行、环状且彼此分立的金电极的Al2O3陶瓷管表面，形成10～30μm厚的敏感材料薄膜，并使敏感材料完全覆盖环形金电极；②在红外灯下烘烤30～45分钟，待敏感材料薄膜干燥后，再将Al2O3陶瓷管在400～450℃下煅烧2～3小时；然后将电阻值为30～40Ω的镍铬加热线圈穿过Al2O3陶瓷管内部作为加热丝，最后将上述器件按照旁热式气敏元件进行焊接和封装，从而得到基于SnO2-Co3O4异质结纳米结构敏感材料的二甲苯气体传感器。本专利技术制备的基于SnO2-Co3O4异质结纳米结构敏感材料的二甲苯气体传感器具有以下优点：1.利用简单的一步水热法成功制备出SnO2-Co3O4异质结纳米结构敏感材料，制备方法简单，成本低廉；2.通过将SnO2与Co3O4两种材料相结合，显著提高了Co3O4基气体传感器对二甲苯的选择性和灵敏度(101.9-100ppm)，降低了传感器的气体浓度检测下限(1.2-0.05ppm)，且具有良好稳定性，在检测微环境中二甲苯含量方面有广阔的应用前景；3.采用市售管式传感器，器件工艺简单，体积小，适于大批量生产。附图说明图1a和图1b分别为纯Co3O4纳米结构敏感材料和SnO2-Co3O4异质结纳米结构敏感材料的SEM形貌图；图2a、图2b、图2c分别为纯Co3O4纳米结构敏感材料的低分辨率和高分辨率的TEM图；图2d、图2e、图2f分别为SnO2-Co3O4异质结纳米结构敏感材料的低分辨率和高分辨率TEM图；图3：纯Co3O4纳米结构敏感材料和SnO2-Co3O4异质结纳米结构敏感材料的XRD图；图4：对比例和实施例中传感器在不同工作温度下对100ppm二甲苯气体的灵敏度曲线；图5a：对比例和实施例中传感器在最佳工作温度(175℃)下对7种100ppm待测气体的选择性曲线；图5b：实施例中传感器在不同工作温度下对7种100ppm待测气体的选择性曲线；图6：对比例和实施例中传感器在最佳工作温度(175℃)下的灵敏度-二甲苯浓度特性曲线图7a：实施例中传感器在最佳工作温度(175℃)下对0.05ppm～1ppm二甲苯气体的响应恢复曲线；图7b：实施例中传感器在最佳工作温度(175℃)下对3ppm～200ppm二甲苯气体的响应恢复曲线；图8：实施例中传感器在最佳工作温度(175℃)下对100ppm二甲苯气体的灵敏度的长期稳定性曲线；如图1所示，纯Co3O4纳米结构敏感材料为绒球状，单个纳米绒球由纳米线构成，纳米花球的直径约为2～4μm。SnO2-Co3O4异质结纳米结构敏感材料呈现出纳米颗粒组成的不规则结构。如图2所示，纯Co3O4纳米结构敏感材料的TEM图与SEM图所示的形貌统一，为由许多纳米线构成的纳米绒球结构，高分辨TEM图显示出0.286nm宽的晶格间距，与纯Co3O4的(220)晶面吻合。SnO2-Co3O4异质结纳米结构敏感材料的TEM图与SEM图所示的形貌统一，为纳米颗粒组成的不规则结构，高分辨TEM图显示出0.286nm和0.334nm宽的晶格间距，分别与Co3O4的(220)和SnO2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于SnO2‑Co3O4异质结纳米结构敏感材料的二甲苯气体传感器，由外表面带有两条平行、环状且彼此分立的金电极的陶瓷管衬底、涂覆在陶瓷管外表面和金电极上的敏感材料、置于陶瓷管内的镍铬合金加热丝组成；其特征在于：敏感材料为SnO2‑Co3O4异质结纳米结构敏感材料，且由如下步骤制备得到，(1)首先量取15～30mL去离子水与15～30mL乙二醇，将其混合后搅拌均匀；(2)将0.2～0.3g的四水合醋酸钴、0.4～0.6g的聚乙烯吡咯烷酮、0.4～0.6g的谷氨酸加入到步骤(1)的去离子水与乙二醇的混合溶液中；搅拌10～20分钟以后，再加入0.1～0.2g的尿素和0.05～0.06g的五水氯化锡，并保持不断地搅拌直至其全部溶解；(3)把步骤(2)得到的溶液转移到水热釜中，在150～190℃下保持12～14小时后取出，自然冷却至室温后将生成的沉淀用去离子水和乙醇多次离心清洗，在室温下干燥后再在400～500℃下煅烧1～2小时，从而得到SnO2‑Co3O4异质结纳米结构粉末。

【技术特征摘要】
1.一种基于SnO2-Co3O4异质结纳米结构敏感材料的二甲苯气体传感器，由外表面带有两条平行、环状且彼此分立的金电极的陶瓷管衬底、涂覆在陶瓷管外表面和金电极上的敏感材料、置于陶瓷管内的镍铬合金加热丝组成；其特征在于：敏感材料为SnO2-Co3O4异质结纳米结构敏感材料，且由如下步骤制备得到，(1)首先量取15～30mL去离子水与15～30mL乙二醇，将其混合后搅拌均匀；(2)将0.2～0.3g的四水合醋酸钴、0.4～0.6g的聚乙烯吡咯烷酮、0.4～0.6g的谷氨酸加入到步骤(1)的去离子水与乙二醇的混合溶液中；搅拌10～20分钟以后，再加入0.1～0.2g的尿素和0.05～0.06g的五水氯化锡，并保持不断地搅拌直至其全部溶解；(3)把步骤(2)得到的溶液转移到水热釜中，在150～190℃下保持12～14小时后取出，自然冷却至室温后将生成的沉淀用去离子水和乙醇...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙鹏，郭杰，卢革宇，刘方猛，闫旭，刘凤敏，粱喜双，高原，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22