甲醛敏感材料和敏感元件及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种甲醛敏感材料和敏感元件及其制备方法，属于半导体材料领域。本发明专利技术公开了一种用于甲醛气体检测的气敏材料，所述气敏材料为二维偏锡酸锌纳米片，所述二维偏锡酸锌纳米片的厚度为3‑10nm，长度为10‑20μm，且其表面具有丰富的介孔结构，所述介孔结构的孔径为3‑10nm。本发明专利技术公开的气敏材料及气敏元件，能同时满足对甲醛检测低成本、高灵敏度的要求，其有望能够在家用电器、移动式电子装备、汽车等领域集成，使甲醛的智能化监测无处不在，将产生巨大的经济社会效益。

Formaldehyde sensitive materials and sensors and their preparation methods

【技术实现步骤摘要】
甲醛敏感材料和敏感元件及其制备方法
本专利技术涉及一种甲醛敏感材料和敏感元件及其制备方法，属于半导体材料领域。
技术介绍
甲醛(HCHO)是最常被人所知的室内空气污染物。由于其化学性质稳定、廉价、能杀菌防腐等特性，甲醛已被应用于各种人类生产生活活动中，而利用其制造的诸如油漆、树脂、橡胶、塑料、染料、粘合剂等化工用品充斥于人类生活空间，这些产品由于热分解或化学分解作用，会逐渐释放内部含有的甲醛成分到空气中。甲醛作为一种有刺激性气味的无色气体，即使在ppb(十亿分之一)的浓度下也会对人类健康构成威胁。当人暴露在一定浓度的甲醛下，就会造成人类肠胃的腐蚀，以及口腔和气管的炎症；而长期与甲醛氛围接触过的人群，则会较普通人更容易罹患咽喉癌和鼻癌。因此，检测和监控室内和室外环境中甲醛浓度水平已经受到越来越多的关注。至今为止，已经有多种方法应用于甲醛气体敏感检测，包括：色谱分析法、荧光法、分光光度计法等。然而这些方法普遍受限于昂贵的设备及费时复杂的操作流程。相对比而言，基于半导体的气体传感器已被证明是一种有效的甲醛实时检测方法。由于良好的热稳定性、高响应、廉价和制备简易的特性，诸如In2O3、SnO2、ZnO和TiO2等金属氧化物已经被开发作为甲醛的气敏响应材料。然而，单一金属氧化物普遍需要高的工作温度，导致了较高的能耗和工艺集成难度。此外，较高的工作温度在许多场景下是被严格控制的，尤其是对于易燃易爆气体，高温可能引起化学物质燃烧或者爆炸。因此可靠的、可室温下进行检测的廉价甲醛气体传感器研制迫在眉睫。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是提供一种甲醛气体传感器中的气敏元件所用的气敏材料，以解决上述的目前市面上的高灵敏甲醛传感器价格普遍太高，而价格便宜的又灵敏度较低、抗干扰能力差，无法满足家居环保产业的巨大市场需求等问题。本专利技术的目的之二是提供一种甲醛气体传感器中的气敏元件所用的气敏材料的制备方法，该制备方法具有原料经济、制备步骤简单及适用于大规模生产的优点。本专利技术的目的之三是为了提供一种甲醛气体传感器中的气敏元件，该气敏元件具有价格低廉、且对甲醛灵敏度高、工作温度低、选择性好、抗干扰能力强、响应恢复快等特点。本专利技术的目的之四是提供一种用于甲醛气体传感器中的气敏元件的制备方法，该制备方法具有工艺简单、元件价格低廉、重复性好、便于生产制作。本专利技术的目的之五是提供一种用于检测甲醛气体的传感器，所述传感器包括上述气敏材料或上述的气敏元件。具体的，本专利技术的技术方案如下：本专利技术第一个方面提供了一种用于甲醛气体检测的气敏材料，所述气敏材料为二维偏锡酸锌纳米片，所述二维偏锡酸锌纳米片的厚度为3-10nm，长度为10-20μm，且其表面具有丰富的介孔结构，所述介孔结构的孔径为3-10nm。本文中“气敏材料”是指一种新型的功能材料，当其接触特定的气体物质时，这些材料的物理或化学性质将发生较为显著的变化。本专利技术第二个方面公开了一种制备用于甲醛气体检测的气敏材料的方法，包括以下步骤：S1：得到氧化石墨烯(GO)分散液；S2：将锡盐、锌盐和沉淀剂加入到S1所述的氧化石墨烯分散液中得到混合溶液，并且搅拌均匀；S3：将S2得到的搅拌均匀的混合溶液离心洗涤数次后收集离心产物，然后进行干燥处理，收集干燥后的产物；S4：将S3所得干燥后的产物进行煅烧处理，即得到用于甲醛气体检测的气敏材料。应该理解，本专利技术不限于上述步骤，还可以包含其他的步骤，例如在步骤S1之前、步骤S1和S2之间、步骤S2和S3之间、步骤S3和S4之间、步骤S4之后，还包含其他额外的步骤，而不超出本专利技术的保护范围。优选的，在S1中，采用超声处理使氧化石墨烯均匀分散在溶剂中。在本专利技术的一具体实施例中，将氧化石墨烯加入溶剂中，控制功率为32KHz进行超声处理30～45min，以使氧化石墨烯均匀分散在溶剂中，得到氧化石墨烯分散液。更优选的，在S1中，所述溶剂为去离子水。优选的，在S1中，氧化石墨烯和溶剂的比例为10-200mg：100-200mL。在本专利技术的一具体实施例中，氧化石墨烯和溶剂的比例为80mg：200mL。优选的，在S2中，所述氧化石墨烯分散液、锡盐、锌盐和沉淀剂的比例为：100-200mL：0.5-3mmol：0.5-3mmol：2.5-5mmol。优选的，在S2中，所述锡盐、锌盐和沉淀剂分别为四氯化锡、硝酸锌和氢氧化钠。应当理解，专利技术中所涉及的锡盐、锌盐和沉淀剂并不限于四氯化锡、硝酸锌和氢氧化钠，本领域技术人员根据需要能够选择任何合适的锡盐、锌盐和沉淀剂完成本专利技术，并且在本专利技术的保护范围之内。在本专利技术的一具体实施例中，将锡盐、锌盐和沉淀剂加入到S1所得的氧化石墨烯分散液中，控制温度为常温25℃、转速为700r/min进行搅拌4h，得到混合溶液，其目的是使锡盐、锌盐与沉淀剂先共沉淀结合后再将沉淀后的晶核均匀吸附到氧化石墨烯模板上；所述的锡盐为四氯化锡，锌盐指硝酸锌，沉淀剂为NaOH；氧化石墨烯分散液：锡盐：锌盐：沉淀剂按照100-200mL：0.5-3mmol：0.5-3mmol、2.5～5mmol加入。优选的，在S3中，干燥处理采用冷冻干燥法。在本专利技术的一具体实施例中，在S3中，将S2所得的混合溶液控制转速10000r/min进行离心15min，所得沉淀用无水乙醇进行洗涤至流出液中没有锡离子、锌离子和钠离子为准，然后再次控制转速10000r/min进行离心15min，将再次离心所得的沉淀控制温度为-50℃进行冷冻干燥，收集干燥后的产物；优选的，在S4中，煅烧处理的温度为400-600℃，升温速率为2℃/min，煅烧处理的保温时间为2小时。在本专利技术的一具体实施例中，煅烧处理的温度为500℃，升温速率为2℃/min，煅烧处理的保温时间为2h，煅烧在马弗炉中进行。本专利技术第三个方面公开了一种上述方法得到的气敏材料。本专利技术第四个方面公开了一种气敏元件，包括半导体元件，所述半导体元件的表面均匀涂敷有上述的用于甲醛气体检测的气敏材料。本专利技术第五个方面公开了一种气敏元件的制备方法，包括以下步骤：a)提供半导体元件；b)将上述的气敏材料用溶剂调制成糊状气敏浆料；c)将所述糊状气敏浆料均匀涂敷在所述半导体元件的表面，即得到气敏元件。应该理解，本专利技术不限于上述步骤，还可以包含其他的步骤，例如在步骤a)之前、步骤a)和b)之间、步骤b)和c)之间、步骤c)之后，还包含其他额外的步骤，而不超出本专利技术的保护范围。优选的，步骤c)之后，还包括：对气敏元件进行焊接、老化和封装工艺处理。在本专利技术的一具体实施例中，将b)所得的糊状气敏材料均匀涂覆在半导体元件的表面，控制涂层厚度为0.5-1.5mm，得到具有干燥涂层的半导体元件；然后按常规的旁热式半导体气敏元件制作工艺将上述所得的具有干燥涂层的半导体元件与基座材料进行焊接、老化和封装，最终得到甲醛气体传感器中的气敏元件；所述的半导体元件为氧化铝陶瓷管；所述的基座材料为塑料或陶瓷；所述的常规的旁热式半导体气敏元件制作工艺。进一步，上述所得的甲醛气体传感器中的气敏元件，能同时满足对甲醛检测低成本、高灵敏度的要求、高选择性的要求，其有望能够在家用电器、移动式电子装备、汽车等领域集成。本专利技术第六个方面公开了一种用于检测甲醛气体的传感器，所述传感器包括上述的气敏材料或上本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于甲醛气体检测的气敏材料，其特征在于，所述气敏材料为二维偏锡酸锌纳米片，所述二维偏锡酸锌纳米片的厚度为3‑10nm，长度为10‑20μm，且其表面具有丰富的介孔结构，所述介孔结构的孔径为3‑10nm。

【技术特征摘要】
1.一种用于甲醛气体检测的气敏材料，其特征在于，所述气敏材料为二维偏锡酸锌纳米片，所述二维偏锡酸锌纳米片的厚度为3-10nm，长度为10-20μm，且其表面具有丰富的介孔结构，所述介孔结构的孔径为3-10nm。2.一种制备用于甲醛气体检测的气敏材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：得到氧化石墨烯分散液；S2：将锡盐、锌盐和沉淀剂加入到S1所述的氧化石墨烯分散液中得到混合溶液，并且搅拌均匀；S3：将S2得到的搅拌均匀的混合溶液离心洗涤数次后收集离心产物，然后进行干燥处理，收集干燥后的产物；S4：将S3所得干燥后的产物进行煅烧处理，即得到用于甲醛气体检测的气敏材料。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在S1中，采用超声处理使氧化石墨烯均匀分散在溶剂中。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在S1中，所述溶剂为去离子水。5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在S2中，所述氧化石墨烯分散液、锡盐、锌盐和沉淀剂的比例为：100-200mL：0.5-3mmol：0.5-3mmol：2.5-5mmol。6.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：王丁，于鑫，陈世君，普鑫鑫，向才伟，王现英，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海,31