一种Pd掺杂的rGO/ZnO-SnO2异质结四元复合材料、制备方法及其应用技术

本发明专利技术涉及一种Pd掺杂的rGO/ZnO

【技术实现步骤摘要】
一种Pd掺杂的rGO/ZnO
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SnO2异质结四元复合材料、制备方法及其应用


[0001]本专利技术涉及一种Pd掺杂的rGO/ZnO
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SnO2异质结四元复合材料、制备方法及其应用，属于气体传感器


技术介绍

[0002]氢气(H2)是一种无色、无臭、无味、可再生、无污染和易燃易爆的气体，具有较高的燃烧热(142KJ/g)，较低的最低点火能量(0.0017mJ)和较宽的可燃范围(4％～75％)，燃烧速度高，被认为是最好的清洁能源载体之一，并在航天、石化和生物医学等方面得到了广泛应用。然而，由于其本身的特性，氢气在生产、使用和运输过程中的意外泄露是一个重要的安全问题，特别是当氢气浓度超过4％时，会具有很高的爆炸敏感性和危险性。因此，对低浓度的氢气进行快速而准确的现场分析和在线监测具有重要意义。
[0003]气敏材料是一种对某种环境中某种气体十分敏感的材料，一般都是某种类型的金属氧化物；当气敏材料吸附某种气体后，材料的电阻率会发生变化，因此常将其用于气体传感器领域。目前，电阻型氢气传感器因其灵敏度高、长期稳定和具有集成氢传感性能的优点受到了广泛关注，该类氢气传感器主要由半导体金属氧化物如SnO2、In2O3或NbO等构成。然而，单独一种金属氧化物构成的氢气传感器存在的普遍问题是特异性较差，在响应氢气的同时，对其他还原性气体也有着不可忽略的响应；其次是工作温度高，传感器功耗大；同时，响应和恢复时间较长，不能准确快速有效的反应环境中气体的真实情况。相比于单独一种金属氧化物，近年来两种金属氧化物复合纳米材料作为氢气敏感材料也受到广泛研究。常见的是n
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n型异质结结构，例如ZnO
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SnO2、NiO
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ZnO和TiO2‑
SnO2等，相比于单独金属氧化物材料，n
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n型异质结结构的材料有效提高了传感器的灵敏度，降低了工作温度，但是仍存在气体响应较小、响应/恢复时间参数较长和选择性较差的问题。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种Pd掺杂的rGO/ZnO
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SnO2异质结四元复合材料、制备方法及其应用。
[0005]为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0006]一种Pd掺杂的rGO/ZnO
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SnO2异质结四元复合材料，所述复合材料是由粒径为20nm～40nm的一次颗粒团聚而成的二次颗粒，一次颗粒以二维网状结构的还原氧化石墨烯(rGO)为基体，片状ZnO纳米材料和片状SnO2纳米材料包覆在所述基体表面，且ZnO和SnO2复合形成n
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n型异质结，ZnO、SnO2和rGO分别形成p
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n型异质结，钯(Pd)纳米颗粒掺杂在ZnO、SnO2和rGO中；所述复合材料中rGO的质量为ZnO和SnO2总质量的1.5％～6％。
[0007]优选的，所述复合材料中Pd、Sn和Zn的摩尔比为1:3～6:12～18。
[0008]优选的，所述复合材料中rGO的质量为ZnO和SnO2总质量的3％～5％。
[0009]一种Pd掺杂的rGO/ZnO
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SnO2异质结四元复合材料的制备方法，所述方法步骤如
下：
[0010](1)将片状ZnO纳米材料、氯化亚锡加入去离子水纯度以上的水中，混合均匀后，首先加入N,N
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二甲基甲酰胺(DMF)，之后滴加氢氧化钠溶液，然后加入氯化钯，搅拌混合均匀，得到混合液；
[0011](2)将氧化石墨烯粉末加入去离子水纯度以上的水中，超声解离，超声功率为60W～90W，超声时间为1h～3h，得到氧化石墨烯解离液；其中，氧化石墨烯粉末的加入量为步骤(1)中ZnO和SnO2总质量的1.5％～6％；SnO2的质量由合氯化亚锡的加入量通过理论计算得到；
[0012](3)将所述氧化石墨烯解离液与所述混合液转移至高压反应釜中，在160℃～200℃下反应15h～20h，反应结束后，冷却，得到的沉淀洗涤、干燥后，在450℃～550℃下煅烧2h～6h，煅烧结束后，得到一种Pd掺杂的rGO/ZnO
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SnO2异质结四元复合材料。
[0013]步骤(1)中：
[0014]优选的，所述片状ZnO纳米材料、氯化亚锡和氢氧化钠的摩尔比为1:2～4:5～8。
[0015]优选的，所述DMF与片状ZnO纳米材料的用量比为1L:2mol～3mol。
[0016]优选的，所述氯化钯的加入量为片状ZnO纳米材料摩尔数的5％～10％。
[0017]优选的，所述片状ZnO纳米材料通过以下方法制备得到：
[0018]将可溶性锌盐的水溶液与氢氧化钠溶液混合均匀后，转移至高压反应釜中，在100℃～200℃下反应12h～24h，反应结束后，冷却，得到的沉淀洗涤、干燥后，在450℃～550℃下煅烧2h～5h后得到。
[0019]更优选的，可溶性锌盐与氢氧化钠的摩尔比为1:2～1:4。更优选的，所述可溶性锌盐为乙酸锌或硝酸锌。更优选的，煅烧时升温速率为3℃/min～4℃/min，煅烧时间为2h～3h。
[0020]步骤(2)中：优选的，所述氧化石墨烯粉末的加入量为步骤(1)中ZnO和SnO2总质量的3％～5％。
[0021]步骤(3)中：优选的，高压反应釜中，反应温度为160℃～180℃，反应时间为18h～20h。
[0022]一种Pd掺杂的rGO/ZnO
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SnO2异质结四元复合材料的应用，所述复合材料作为气敏材料用于氢气传感器中。
[0023]优选的，所述氢气传感器通过以下方法制备得到：
[0024]将所述复合材料研磨得到粒径为0.5μm～5μm的粉体，将所述粉体溶于有机溶剂与去离子水纯度以上水的混合溶剂中，混合均匀，得到浆料；将所述浆料涂于微热板芯片的测试电极区域，干燥后，在280℃～350℃下退火2h～4h，得到气敏元件；将所述气敏元件置于密封气室中，给微热板芯片的加热电极通电老化后，得到氢气传感器。
[0025]优选的，所述有机溶剂为乙二醇、松油和聚乙二醇中的一种以上。
[0026]优选的，所述有机溶剂与去离子水纯度以上水的体积比为1:1～3:1。
[0027]优选的，所述粉体在混合溶剂中的浓度为0.5g/mL～2g/mL。
[0028]优选的，老化时电压为2.5V～3.3V，时间为1天～2天。
[0029]有益效果
[0030]1.本专利技术提供了一种Pd掺杂的rGO/ZnO
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SnO2异质结四元复合材料，所述复合材料
中，SnO2‑
ZnO作为基础敏感体，ZnO的功函数大于SnO2，片状ZnO和片状SnO2复合之后，电子从SnO2流向ZnO，在SnO2表面形成了电子耗尽层，进一步弯曲了能带，导致SnO2/ZnO复合后形成的n
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Pd掺杂的rGO/ZnO
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SnO2异质结四元复合材料，其特征在于：所述复合材料是由粒径为20nm～40nm的一次颗粒团聚而成的二次颗粒，一次颗粒以二维网状结构的rGO为基体，片状ZnO纳米材料和片状SnO2纳米材料包覆在所述基体表面，且ZnO和SnO2复合形成n
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n型异质结，ZnO、SnO2和rGO分别形成p
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n型异质结，Pd纳米颗粒掺杂在ZnO、SnO2和rGO中；所述复合材料中rGO的质量为ZnO和SnO2总质量的1.5％～6％。2.如权利要求1所述的一种Pd掺杂的rGO/ZnO
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SnO2异质结四元复合材料，其特征在于：所述复合材料中Pd、Sn和Zn的摩尔比为1:3～6:12～18；所述复合材料中rGO的质量为ZnO和SnO2总质量的3％～5％。3.一种如权利要求1或2所述的Pd掺杂的rGO/ZnO
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SnO2异质结四元复合材料的制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下：(1)将片状ZnO纳米材料、氯化亚锡加入去离子水纯度以上的水中，混合均匀后，首先加入DMF，之后滴加氢氧化钠溶液，然后加入氯化钯，搅拌混合均匀，得到混合液；(2)将氧化石墨烯粉末加入去离子水纯度以上的水中，超声解离，超声解超声功率为60W～90W，超声时间为1h～3h，得到氧化石墨烯解离液；其中，所述氧化石墨烯粉末的加入量为步骤(1)中ZnO和SnO2总质量的1.5％～6％；SnO2的质量由合氯化亚锡的加入量通过理论计算得到；(3)将所述氧化石墨烯解离液与所述混合液转移至高压反应釜中，在160℃～200℃下反应15h～20h，反应结束后，冷却，得到的沉淀洗涤、干燥后，在450℃～550℃下煅烧2h～6h，煅烧结束后，得到一种Pd掺杂的rGO/ZnO
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SnO2异质结四元复合材料。4.如权利要3所述的一种Pd掺杂的rGO/ZnO
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SnO2异质结四元复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中：所述片状ZnO纳米材料、氯化亚锡和氢氧化钠的摩尔比为1:2～4:5～8；所述DMF与片状ZnO纳米材料的用量比为1L:2mol～3mol；所述氯化钯的加入量为片状ZnO纳米材料摩尔数的5％～10％；步骤(2)中所述氧化石墨烯粉末的加入量为步骤(1)中ZnO和SnO2总质量的3％～5％。5.如权利要3所述的一种Pd掺杂的rGO/ZnO
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SnO2异质结四元复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中：所述片状ZnO纳米材料通过以下方法制备得到：将可溶性锌盐的水溶液与氢氧化钠溶液混合均匀后，转移至高压反应釜中，在100℃～200℃下反应12h～24h，反应结束后，冷却，得到...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙建海，张新晓，陈婷婷，马天军，赵佩月，
申请(专利权)人：中国科学院空天信息创新研究院，
类型：发明
国别省市：