一种十二面体状氧化锌纳米材料的制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种十二面体状氧化锌纳米材料的制备方法及应用，具体为：将六水合硝酸锌和2‑甲基咪唑进行络合反应得到金属有机框架材料(ZIF‑8)；将ZIF‑8进行洗涤、真空干燥后，在管式炉内分别在氩气、空气氛围下连续高温煅烧，得到十二面体状氧化锌纳米材料，将十二面体状氧化锌纳米材料所制备的纳米半导体气敏传感器，在紫外光源照射下，在100‑220℃工作温度区间，用于丙酮气体检测。十二面体状氧化锌纳米材料制备的气敏传感器在紫外光源照射下对丙酮气体气敏灵敏度呈现显著增强作用，且具有选择性好、稳定性强等特点，该类纳米半导体气敏传感器所具有的光助增敏特性，具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种十二面体状氧化锌纳米材料的制备方法及应用
本专利技术具体涉及一种十二面体状氧化锌纳米材料的制备方法及应用。
技术介绍
氧化锌作为一种被广泛研究的金属氧化物，具有诸多优异的物理化学性质，如高稳定性、抗菌性、无毒性和较高的激发结合能等。三维立体状、多孔结构的氧化锌由于具有更大的比表面积与活性位点，具有比一维、二维更优异的气敏性能。同时氧化锌作为典型的半导体材料，在紫外光照下产生优异的光催化活性，在气敏传感领域有较高的研究前景。丙酮（CH3COCH3）是一种有机溶剂与易燃气体，在工业生产的诸多领域被广泛应用，同时具有易挥发性和毒性。当环境中的丙酮浓度达到1000ppm时，人体可能会产生各种不适症状如头痛、恶心、疲劳甚至死亡。因此，为了生产过程中人体的健康安全，有必要开发出高灵敏、高选择性的丙酮气敏传感器。现有的用于检测丙酮的气敏材料，如金属氧化物半导体材料（SnO2、CuO等）工作温度较高（300-500℃），这是大部分金属氧化物气敏传感器的固有缺陷。高工作温度容易引起纳米材料微观结构的变化，引起检测气体的高温分解产生危险气体，乃至气敏传感器的失灵。因此，设计在低工作温度条件下的高灵敏丙酮气体传感器意义重大。ZIF-8是一种以锌氧四面体为中心，以2-甲基咪唑为链接基团的沸石类金属有机框架材料，ZIF-8具有高比表面积、均一的通道和规则的孔径，这些都是气敏材料所需要的特性。因此，以ZIF-8为前驱体，通过阶段性煅烧的途径，得到三维特殊形貌、具有大比表面积的氧化锌纳米材料，在气体传感领域的应用具有显著的优势。迄今，尚未见以ZIF-8为前体，煅烧得到正十二面体氧化锌，在紫外光照下，应用于丙酮气体传感的相关报道。因此开发出具有光助增敏特性的高灵敏十二面体状氧化锌纳米气敏材料，有着较高的创新性和应用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有光助增敏特性的十二面体状氧化锌纳米气敏材料制备方法及应用，以解决上述
技术介绍
中所涉及的问题，本专利技术制得的氧化锌纳米材料为十二面体三维结构，表面活性位点丰富；所制备的半导体气敏传感器，在紫外光照射下，对丙酮气体检测灵敏度具有增强作用，并具有选择性高和稳定性强等特点。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种具有光助增敏特性的十二面体状氧化锌纳米气敏材料制备方法，包括以下步骤：（1）将六水合硝酸锌溶于溶剂中，搅拌5min待用，得到溶液A；（2）将2-甲基咪唑溶于溶剂中，搅拌5min待用，得到溶液B；（3）将步骤（2）所得溶液B用分液漏斗以两秒每滴的速度加入到溶液A中，在25℃下，搅拌进行络合反应，反应后得到的沉淀物用无水甲醇洗涤三次；（4）将步骤（3）洗涤后的沉淀物置于60℃真空干燥箱中干燥24h，再用研钵研磨成粉状，置于坩埚中，分别在氩气气氛及空气下连续煅烧，得到十二面体状氧化锌纳米材料，将得到的粉末制成的半导体气敏传感器，具有低工作温度、紫外光照下灵敏度增强效应。进一步地，步骤（1）中的溶剂为无水甲醇。进一步地，步骤（2）中的溶剂为无水甲醇。进一步地，步骤（2）中的2-甲基咪唑与步骤（1）中的六水合硝酸锌用量的摩尔比为4:1。进一步地，步骤（3）中络合反应时间为24h。进一步地，步骤（4）中煅烧过程的升温速率为2℃/min。进一步地，步骤（4）中煅烧温度为400℃。进一步地，步骤（4）中氩气下煅烧时间为2h，接着在空气下煅烧时间为2h。如所述方法制备得到的十二面体状氧化锌纳米材料。十二面体状氧化锌纳米材料的应用：在紫外光光照条件下，将十二面体状氧化锌纳米材料制备的半导体气敏传感器用于检测丙酮气体，检测温度为100-220℃。由于在合成ZIF-8前驱体时，2-甲基咪唑溶液被缓慢地加入到硝酸锌溶液中，使体系变化较为缓和，从而使得ZIF-8结晶过程较为平缓，易于形成较小的纳米颗粒。在煅烧过程中，升温过程中采用的氩气保护起到保护形貌作用，增强ZIF-8纳米颗粒的稳定性，减少坍塌，阻碍晶体长大，并最终形成了约90nm的正十二面体氧化锌纳米材料。与现有技术相比，本专利技术的有益效果：（1）本专利技术分别采用在氩气和空气下400℃煅烧，其中在氩气中煅烧，可保证纳米骨架结构不易坍塌，阻碍晶体长大，所制备的十二面体氧化锌纳米材料，直径约为90nm，尺寸小，较小的纳米颗粒尺寸有利于产生更多的活性表面，从而提升气体传感敏感度，并且其结构稳定，存在丰富的表面活性位点，比表面积为61.9m2/g，有丰富的中孔、大孔结构，具备高性能气敏材料的结构特征。（2）本专利技术所制备的正十二面体氧化锌纳米材料，在紫外光辅助光照下，在低工作温度区，对丙酮气体具有气敏增敏作用。这是因为在紫外光辅助光照下，氧化锌纳米材料表面产生了更多的电子-空穴对，在空气下，表面的光生电子可吸附空气中的氧气分子，使氧化锌半导体的阻抗增大，当遇到丙酮气体时，这些表面吸附氧与丙酮气体反应，使之前表面吸附的电子返回氧化锌体内，导致阻抗下降，从而实现该气敏传感器的光助增敏作用。（3）本专利技术所制备的基于正十二面体氧化锌纳米气敏传感器，在紫外光照下，在100-220℃间低工作温度下，对丙酮气体的气体灵敏度，呈现明显的增敏作用。附图说明图1为实施例1的纳米ZIF-8材料（a）与氧化锌纳米材料（b）XRD图；图2为实施例1的纳米ZIF-8材料（a,b）与氧化锌纳米材料（c,d）的SEM图；图3为实施例1的纳米ZIF-8材料（a）与氧化锌纳米材料（b）的氮气吸附脱附曲线和孔径分布图；图4为实施例1的氧化锌纳米材料与商用氧化锌的紫外可见吸收光谱；图5为实施例1的氧化锌纳米在紫外光照与黑暗条件下对丙酮气体的灵敏度对比图；图6为实施例1的氧化锌纳米材料制得气敏传感器对不同气体的灵敏度对比图（a）与响应特性（b）。具体实施方式以下将配合附图及具体实例来详细说明本专利技术，但本专利技术并不局限于此。实施例1（1）将1.116g六水合硝酸锌溶于60mL无水甲醇中，搅拌5min，得到溶液A；（2）将1.232g2-甲基咪唑溶于60mL无水甲醇中，搅拌5min，得到溶液B；（3）将步骤（2）所得B溶液用分液漏斗以两秒每滴的速度加入到步骤（1）所得A溶液中，然后在25℃下600r/min连续搅拌24h进行络合反应，反应结束后离心白色沉淀，用无水甲醇洗涤三次；（4）将步骤（3）洗涤后的白色沉淀置于60℃真空干燥箱中干燥24h，干燥后用研钵研磨30min，将得到的粉末置于坩埚中，在管式炉内在氩气保护下以2℃/min升温至400℃煅烧2h，接着通入空气继续煅烧2h，最终得到的粉末即为用于制备气敏元件的氧化锌纳米材料。基于上述材料制备气敏元件的方法，包括在研钵中加入正十二面体氧化锌纳米材料和松油醇，研磨成糊状，用毛刷将糊状材料均匀地涂抹在气敏元件的陶瓷管上，将涂好的陶瓷管放在马弗炉中以250℃烘烤2h，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种十二面体状氧化锌纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n（1）将六水合硝酸锌溶于溶剂中，搅拌5 min待用，得到溶液A；/n（2）将2-甲基咪唑溶于溶剂中，搅拌5 min待用，得到溶液B；/n（3）将步骤（2）所得溶液B用分液漏斗以两秒每滴的速度加入到溶液A中，在25℃下，搅拌进行络合反应，反应后得到的沉淀物用无水甲醇洗涤三次；/n（4）将步骤（3）洗涤后的沉淀物置于60 ℃真空干燥箱中干燥24 h，再用研钵研磨成粉状，置于坩埚中，分别在氩气气氛及空气下连续煅烧，得到十二面体状氧化锌纳米材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种十二面体状氧化锌纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将六水合硝酸锌溶于溶剂中，搅拌5min待用，得到溶液A；
（2）将2-甲基咪唑溶于溶剂中，搅拌5min待用，得到溶液B；
（3）将步骤（2）所得溶液B用分液漏斗以两秒每滴的速度加入到溶液A中，在25℃下，搅拌进行络合反应，反应后得到的沉淀物用无水甲醇洗涤三次；
（4）将步骤（3）洗涤后的沉淀物置于60℃真空干燥箱中干燥24h，再用研钵研磨成粉状，置于坩埚中，分别在氩气气氛及空气下连续煅烧，得到十二面体状氧化锌纳米材料。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中的溶剂为无水甲醇。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中的溶剂为无水甲醇。


4.根据权利要求1所述的制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘海波，杨世超，李超超，张志鹏，林星，沈水发，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建;35