一种丙酮气体传感器及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种丙酮气体传感器，采用水热法合成亚铬酸亚铜纳米颗粒，选用氢氧化钠作为矿化剂，利用涂覆工艺制作亚铬酸亚铜纳米颗粒传感层和蒸镀工艺获得银修饰层，通过控制磁力搅拌时间、水热反应器反应时间、烘箱干燥时间、超声处理时间、空气中老化时间、并借助银颗粒对亚铬酸亚铜传感层的修饰作用和金属银作为优良的导体，提高传感器的电导率及增强亚铬酸亚铜纳米颗粒之间活性界面对气体的吸附反应，从而获得高灵敏的丙酮气体传感器。本发明专利技术制备的基于银与亚铬酸亚铜异质结的丙酮气体传感器，制备工艺简单、成本低廉、性能优越，适合商业化生产。合商业化生产。合商业化生产。

【技术实现步骤摘要】
一种丙酮气体传感器及制备方法


[0001]本专利技术涉及气体传感器
，尤其涉及一种基于银与亚铬酸亚铜异质结的丙酮气体传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]在物联网(IoT)时代，对高灵敏度、高稳定性，但尺寸更小、功耗更低的传感器的需求越来越大。气体传感技术中，尤其是对挥发性有机化合物(VOCs)的检测，已经成为工业和环境领域的关键问题之一，如石化加工、化学废物、汽车尾气等VOCs，它们具有一定的毒性、易燃性和爆炸性。其中，丙酮是一种典型的VOC气体，它的无色透明液体，易溶于水和甲醇、乙醇、乙醚等有机溶剂，且易燃、易挥发、化学性质活泼。丙酮会对中枢神经系统起到麻醉作用，急性中毒时人体会出现乏力、恶心、头痛、头晕等症状，严重时容易引起呕吐、气急、痉挛，甚至昏迷。
[0003]目前，用来检测丙酮的方法包括色谱法、电化学法、气敏传感器法等；然而色谱法所需设备体积大、价格高；电化学法服役时间短、检测期间易受干扰；市售气敏传感器的检测元件温度高、精度低，对有机气体选择性差。因此，开发一种灵敏度高、选择性好的丙酮气体传感器对行业的发展至关重要。

技术实现思路

[0004]基于
技术介绍
存在的技术问题，本专利技术提出一种基于银与亚铬酸亚铜异质结的丙酮气体传感器，该传感器制备工艺简单、性能优越，适合商业化生产。
[0005]一种丙酮气体传感器，包括陶瓷管，所述陶瓷管的表面设有金属
‑
半导体异质结涂层，所述金属
‑
半导体异质结涂层中的金属为贵金属；所述金属r/>‑
半导体异质结涂层中的半导体为p型ABO2氧化物。
[0006]优选地，所述金属
‑
半导体异质结涂层中的金属为Ag、Au或Pt；所述金属
‑
半导体异质结涂层中的半导体为CuCrO2、CuScO2、CuYO2或CuAlO2。
[0007]优选地，所述金属
‑
半导体异质结涂层中的金属为Ag，所述金属
‑
半导体异质结涂层中半导体为CuCrO2。
[0008]一种丙酮气体传感器的制备方法，方法步骤如下：
[0009]S1：将Cu(NO3)2·
3H2O和Cr(NO3)3·
9H2O以等量的化学计量比溶于去离子水中，在室温下磁力搅拌后，加入NaOH作为矿化剂；
[0010]S2：将前驱体在水热反应器中反应，形成CuCrO2纳米颗粒；
[0011]S3：将产物先后在稀盐酸、去离子水和酒精中漂洗数次，然后在烘箱中干燥；
[0012]S4：将S3获得的CuCrO2纳米颗粒分散在酒精中，超声处理后形成浆液；
[0013]S5：将该浆液涂覆在陶瓷管上；
[0014]S6：将组装好的CuCrO2传感层在空气中老化；
[0015]S7：通过热蒸发器将银涂覆在每个CuCrO2层的表面。
[0016]优选地，所述S1中磁力搅拌时间为0.5～3h。
[0017]优选地，所述S2中水热反应器反应时间为8～72h。
[0018]优选地，所述S3中的烘箱干燥时间为2～24h。
[0019]优选地，所述S4中超声处理时间为0.2～6h。
[0020]优选地，所述S6的空气中老化时间为8～72h。
[0021]优选地，所述S7中银沉积厚度为10～30nm。
[0022]原理分析：
[0023]CuCrO2、CuScO2、CuYO2或CuAlO2是几种典型的铜铁矿型材料，其中Cr、Sc、Y、Al均为三价阳离子，三价阳离子与氧之间共价键的相互作用遵循Cr>Sc>Y>Al的顺序，Cr和O之间的共价键是最强的，也就是说CuCrO2具有最好的稳定性；此外Cr
3+
与Sc
3+
、Y
3+
、Al
3+
相比，其离子半径较大，因此也具有相对较多的间隙性氧缺陷。因此，CuCrO2是一类具有潜在应用价值的传感材料。
[0024]在这几种铜铁矿型材料中，Cu
‑
Cu原子之间的距离会影响材料的电子结构，Cu
‑
Cu原子之间的距离越小，Cu
+
之间的d电子轨道的重叠增强，这有利于提高体系的导电性，进而提升整体的气体传感性能。
[0025]然而Cu
‑
Cu原子之间的距离受到三价阳离子半径的影响，三价阳离子半径增加，Cu
‑
Cu之间的距离也相应增加；三价阳离子半径的减小，Cu
‑
Cu之间的距离也会减小。Cr作为较大的三价阳离子，势必影响电子的迁移，由此可见，CuCrO2虽然具有良好的稳定性，但是若作为气体传感材料，其本征导电率较弱且氧缺陷含量较低，因此本专利技术采用纳米级贵金属对其进行修饰，从而获得金属
‑
半导体异质结，使其气体传感性能得到了显著的提升，原因如下：
[0026]1、参见图2所示，由于Ag的引入，Ag与Cu
+
的相互作用，诱导CuCrO2表面层发生晶格畸变，表面的Cu
‑
O之间会发生部分断键；同时银修饰后，XPS测试的Cu2p数据中，由图3和图4可以看出，二价铜离子对应的分峰显著增强，以及其电子钉扎产生的卫星峰，这种卫星峰的生成对应CuCrO2表面产生了晶格畸变，这种结构的变化大大增加了CuCrO2表面的缺陷态密度，从而增加了空穴氧的含量，提高了CuCrO2表面吸附氧的效果，提升了气体传感性能。
[0027]金属氧化物表面的空穴氧作为配位不饱和金属位点，增加了载流子密度，为气体吸附提供了氧吸附位点。被吸附的氧气会从金属氧化物的导带中捕获电子，参与气体传感，具体的反应过程由以下公式描述：(1)
‑
(4)。
[0028]O2(气体)
→
O2(吸附)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式(1)
[0029]O2(吸附)+e
‑
→
O2‑
(吸附)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式(2)
[0030]O2(吸附)+e
‑
→
2O
‑
(吸附)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式(3)
[0031]CH3COCH3(气体)+8O
‑
(吸附)
→
3CO2(气体)+3H2O(气体)+8e
‑
ꢀꢀꢀ
公式(4)
[0032]在X射线光电子能谱O1s表征中，Ag修饰的CuCrO2中晶格氧含量降低、空穴氧和吸附氧含量提高，如表1所示：
[0033]表1 CuCrO2和Ag修饰的CuCrO2的O 1s XPS光谱的峰位和成分比
[0034](结合能eV/含量)O
I
晶格氧O
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种丙酮气体传感器，包括陶瓷管，其特征在于，所述陶瓷管的表面设有金属
‑
半导体异质结涂层，所述金属
‑
半导体异质结涂层中的金属为贵金属；所述金属
‑
半导体异质结涂层中的半导体为p型ABO2氧化物。2.根据权利要求1所述的一种丙酮气体传感器，其特征在于，所述金属
‑
半导体异质结涂层中的金属为Ag、Au或Pt；所述金属
‑
半导体异质结涂层中的半导体为CuCrO2、CuScO2、CuYO2或CuAlO2。3.根据权利要求2所述的一种丙酮气体传感器，其特征在于，所述金属
‑
半导体异质结涂层中的金属为Ag，所述金属
‑
半导体异质结涂层中半导体为CuCrO2。4.根据权利要求1所述的一种丙酮气体传感器的制备方法，其特征在于，方法步骤如下：S1：将Cu(NO3)2·
3H2O和Cr(NO3)3·
9H2O以等量的化学计量比溶于去离子水中，在室温下磁力搅拌后，加入NaOH作为矿...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓东，王旭，刘海，候小强，孔令伟，张艳，朱文欢，
申请(专利权)人：上海大学苏州宇上光智能设备有限公司上海交通大学，
类型：发明
国别省市：