用于气体传感器的构件及金属氧化物纳米纤维的制造方法技术

公开了一种用于气体传感器的构件及金属氧化物纳米纤维的制造方法。该构件可以包括金属纳米颗粒催化剂，并且可以形成为通过静电纺丝和热处理工艺经由使金属纳米颗粒催化剂和碱金属或碱土金属结合而被功能化。通过静电纺丝和高温热处理经由使碱金属或碱土金属和金属纳米颗粒催化剂均匀地结合，所述构件可以以高选择性和超高灵敏度检测痕量的气体。高选择性和超高灵敏度检测痕量的气体。高选择性和超高灵敏度检测痕量的气体。

【技术实现步骤摘要】
用于气体传感器的构件及金属氧化物纳米纤维的制造方法
[0001]本申请要求于2020年7月27日在韩国知识产权局提交的第10
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2020
‑
0093283号韩国专利申请的优先权，该韩国专利申请的公开内容通过引用全部包含于此。


[0002]以下描述涉及一种用于基于金属氧化物纳米纤维的气体传感器的构件及金属氧化物纳米纤维的制造方法。

技术介绍

[0003]基于金属氧化物半导体的气体传感器利用由于其中在金属氧化物的表面上吸附和解吸特定目标气体分子的表面反应(表面吸附
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解吸反应)而引起电阻值的变化的现象。气体传感器的性能可以表示为空气中的电阻(R
air
)与当传感器暴露于特定目标气体时的电阻(R
gas
)的电阻比(R
air
/R
gas
)，当电阻比R
air
/R
gas
变大时，可以表现出气体传感器的高性能。由于使用气体传感器的方法简单且气体传感器的小型化容易，因此优点在于：可以以相对低的价格构造传感器阵列系统；增加便携性；以及执行实时测量。因此，电阻改变型的基于金属氧化物半导体的气体传感器已经用于各种应用(诸如检测有害气体或检测人体的呼气中的生物标志物气体以在早期诊断疾病)中。在新陈代谢过程期间，生物标志物气体在ppb至ppm范围内的水平下以痕量产生，以通过呼气排出。通常，生物标志物气体包括硫化氢(H2S)气体、丙酮(CH3COCH3)气体和甲苯(C6H5CH3)，这些气体与口臭、糖尿病和肺癌密切地相关。为了检测痕量的生物标志物气体，需要具有高灵敏度、高选择性和高速响应的传感器性能。然而，传统的金属氧化物半导体气体传感器具有的缺点在于：响应时间和恢复时间长(范围从几十秒到几分钟或更长)；对特定气体的选择性反应特性低；以及检测限的性能降低。因此，需要开发克服上述问题且能够以超高灵敏度和高选择性可靠地检测极痕量的气体的用于气体传感器的感测材料。
[0004]为了制造具有超高灵敏度检测性能的基于金属氧化物半导体的气体传感器，有必要合成各种基于纳米结构的检测材料。因此，已经开发、采用和研究了诸如纳米颗粒、纳米片、纳米线和纳米纤维的各种结构作为传感器材料。由于每种纳米结构具有大的比表面积以在大面积之上与气体反应，因此存在以下优点：使气体检测特性得以改善；以及通过多孔结构诱导气体扩散到纳米结构中且诱导气体与纳米结构的表面反应，使得可以进行超高速反应。具体地，当纳米颗粒或纳米片以膜的形式被制造时，存在的问题在于：孔由于彼此团聚和重新堆叠的现象而堵塞，使得不参与存在于下部中的检测材料的反应的失活反应点(无效反应位点)增加。另一方面，由于一维金属氧化物半导体纳米纤维结构在允许气体通过存在于纳米纤维之间的大孔容易地扩散方面具有非常有利的结构，因此一维金属氧化物半导体纳米纤维结构是具有优异的气体反应性的理想结构。
[0005]为了改善基于金属氧化物半导体的气体传感器的灵敏度和选择性特性，正在积极地进行对结合催化剂的研究。可以使用催化剂来提供化学和电子敏化效应。例如，化学敏化结合诸如铂(Pt)和金(Au)的贵金属催化剂以在金属氧化物的表面上增加参与化学反应的
氧吸附物质(O
‑
、O2‑
和O2‑
)的浓度，而基于氧化数(PdO或Ag2O)的改变的电子敏化可以使用钯(Pd)和银(Ag)来实现。具体地，制造小至几纳米(nm)的催化剂并使催化剂遍布检测材料均匀地结合是非常重要的。然而，在通常使用的多元醇工艺的情况下，存在的缺点在于：金属催化剂相对大(在3nm至10nm或更大的范围内)；以及金属催化剂在高温热处理期间被氧化或容易地彼此团聚，使得催化剂特性会降低。

技术实现思路

[0006]一个或更多个示例实施例提供了一种用于基于金属氧化物纳米纤维的气体传感器的构件及其制造方法。
[0007]根据示例实施例的方面，提供了一种用于气体传感器的构件，该构件包括金属氧化物纳米纤维，其中，金属氧化物纳米纤维包括金属纳米颗粒催化剂和碱金属或碱土金属，金属纳米颗粒催化剂和碱金属或碱土金属通过静电纺丝工艺随后通过热处理工艺结合在金属氧化物纳米颗粒之间以被功能化。
[0008]金属氧化物纳米纤维的直径可以在50nm至10μm的范围内，并且金属氧化物纳米纤维的长度可以在1μm至100μm的范围内。
[0009]金属氧化物纳米纤维可以呈其中至少一种金属离子可以被氧化的金属氧化物的形式，金属氧化物在作为n型半导体的WO3、ZnO、SnO2、TiO2、In2O3、Zn2SnO4和MnO2或者作为p型半导体的CuO、NiO、Co3O4、Fe2O3、Fe3O4、PdO、LaCoO3、NiCo2O4和Ag2O之中选择。
[0010]金属氧化物纳米纤维可以在结成网且互连的金属氧化物纳米纤维之间具有在50nm至100μm的尺寸范围内的开孔结构。
[0011]金属纳米颗粒催化剂可以由具有中空结构的脱铁铁蛋白蛋白质模板制造，中空结构在尺寸上具有7nm至8nm范围内的内径。
[0012]金属纳米颗粒催化剂可以通过将金属盐注入到脱铁铁蛋白蛋白质模板中并通过还原剂执行还原处理来合成。
[0013]在这种情况下，金属盐可以包含Pt、Pd、Rh、Ru、Ni、Co、Cr、Ir、Au、Ag、Zn、Mn、Ga、Ge、W、Sn、Sr、In、Pb、Ta、Sb、Sc和Ti之中的一种或更多种。
[0014]金属纳米颗粒催化剂的尺寸可以在1nm至5nm的范围内。
[0015]碱金属或碱土金属可以包括Na、K、Mg、Ca、Rb、Sr、Cs和Ba之中的一种或更多种。
[0016]金属氧化物纳米纤维可以包括第二相，第二相由于碱金属或碱土金属与金属氧化物纳米颗粒通过高温热处理进行反应而形成。
[0017]金属氧化物纳米纤维可以包括多个异质界面，所述多个异质界面形成为使得由于碱金属或碱土金属与金属氧化物纳米颗粒的反应形成第二相，并且所述多个异质界面形成在金属氧化物纳米颗粒、第二相和金属纳米颗粒催化剂之间。
[0018]在这种情况下，例如，碱金属或碱土金属可以包括Na，金属氧化物纳米颗粒可以包括WO3，并且当Na和WO3反应以形成Na
x
W
y
O
z
相时，所述多个异质界面可以包括WO3/Na
x
W
y
O
z
异质界面、WO3/金属催化剂界面和Na
x
W
y
O
z
/金属催化剂界面，0<x，y，z<100。
[0019]根据示例实施例的方面，提供了一种制造金属氧化物纳米纤维的方法，所述方法包括以下步骤：在脱铁铁蛋白蛋白质模板内合成纳米颗粒催化剂；通过将包含纳米颗粒催化剂的脱铁铁蛋白蛋白质模板和碱金属盐或碱土金属盐与金属氧化物前驱体/聚合物复本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于气体传感器的构件，所述构件包括：金属氧化物纳米纤维，其中，金属氧化物纳米纤维包括金属纳米颗粒催化剂和碱金属或碱土金属，金属纳米颗粒催化剂和碱金属或碱土金属结合在用作基质的金属氧化物纳米颗粒之间以被功能化，并且金属氧化物纳米纤维通过静电纺丝工艺随后通过热处理工艺来获得。2.根据权利要求1所述的构件，其中，金属氧化物纳米纤维的直径在50nm至10μm的范围内，并且金属氧化物纳米纤维的长度在1μm至100μm的范围内。3.根据权利要求1所述的构件，其中，金属氧化物纳米颗粒呈其中至少一种金属离子被氧化的金属氧化物的形式，金属氧化物选自于由作为n型半导体的WO3、ZnO、SnO2、TiO2、In2O3、Zn2SnO4和MnO2组成的组或者选自于由作为p型半导体的CuO、NiO、Co3O4、Fe2O3、Fe3O4、PdO、LaCoO3、NiCo2O4和Ag2O组成的组。4.根据权利要求1所述的构件，其中，金属氧化物纳米纤维在结成网且互连的金属氧化物纳米纤维之间具有在50nm至100μm的尺寸范围内的开孔结构。5.根据权利要求1所述的构件，其中，金属纳米颗粒催化剂由具有中空结构的脱铁铁蛋白蛋白质模板制造，中空结构具有7nm至8nm范围内的内径。6.根据权利要求5所述的构件，其中，金属纳米颗粒催化剂通过将金属盐注入到脱铁铁蛋白蛋白质模板中并通过还原剂执行还原处理来合成。7.根据权利要求6所述的构件，其中，金属盐包含选自于由Pt、Pd、Rh、Ru、Ni、Co、Cr、Ir、Au、Ag、Zn、Mn、Ga、Ge、W、Sn、Sr、In、Pb、Ta、Sb、Sc和Ti组成的组中的一种或更多种。8.根据权利要求1所述的构件，其中，金属纳米颗粒催化剂的尺寸在1nm至5nm的范围内。9.根据权利要求1所述的构件，其中，碱金属或碱土金属包括选自于由Na、K、Mg、Ca、Rb、Sr、Cs和Ba组成的组中的一种或更多种。10.根据权利要求1所述的构件，其中，金属氧化物纳米纤维包括第二相，第二相由于碱金属或碱土金属与金属氧化物纳米颗粒通过热处理工艺进行反应而形成。11.根据权利要求1所述的构件，其中，金属氧化物纳米纤维包括多个异质界面，所述多个异质界面形成为使得由于碱金属或碱土金属与金属氧化物纳米颗粒的反应形成第二相，并且所述多个异质界面形成在金属氧化物纳米颗粒、第二相和金属纳米颗粒催化剂之间。12.根据权利要求11所述的构件，其中：碱金属或碱土金属包括Na，金属...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑元淙，金一斗，南宫桷，金东河，李列镐，李埈炯，张基永，张智洙，申贺旻，金阭华，
申请(专利权)人：韩国科学技术院，
类型：发明
国别省市：