一种基于Cu2O-CuO分等级结构微米花敏感材料的二氧化氮传感器及其制备方法技术

一种基于Cu2O

【技术实现步骤摘要】
一种基于Cu2O
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CuO分等级结构微米花敏感材料的二氧化氮传感器及其制备方法


[0001]本专利技术属于半导体金属氧化物气体传感器
，具体涉及一种基于 Cu2O
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CuO分等级结构微米花敏感材料的二氧化氮传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]对于NO2等氮氧化物，即使浓度很低，也会对人体呼吸道造成伤害。美国环境保护署(EPA)已将环境中NO2浓度的质量标准定为年平均浓度53ppb。因此，早期识别和检测二氧化氮对于保护公众健康具有足够的安全意义。特别是在某些特定的工作环境中，要求NO2的检测浓度可能会更低。显然，超灵敏二氧化氮传感器的设计和开发变得尤为重要。半导体氧化物气体传感器因其器件结构和制造工艺简单、易于小型化和集成化、适合在线测量等优点而受到广泛关注并成为气体传感器中的热点之一。
[0003]在种类众多的气体传感器中，以半导体金属氧化物为敏感材料的电阻型气体传感器具有灵敏度高、高稳定性、选择性好、响应和恢复速度快、制作方法简单、成本较低等优点，是目前应用最广泛的气体传感器之一。随着纳米科学与技术的发展，将气敏材料调控成具有新颖形貌的分等级结构能够极大地提高材料的比表面积，增加活性位点，可以使气敏特性得到改善，从而获得更好的气敏特性。
[0004]氧化铜(CuO)是一种重要的P型半导体金属氧化物，由于其具有稳定的化学和电学性质，被广泛应用于太阳能、光催化和气体传感器等领域。对CuO材料结构传感性能的研究表明，虽然与某些N型金属氧化物半导体相比，其灵敏度相对较低，然而氧化铜在对挥发性有毒有害气体检测以及有机挥发性气体具有优秀的催化活性，这使得对CuO敏感材料的改性变得有意义。本专利技术中通过利用水热法合成出一种Cu2O
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CuO分等级结构微米花敏感材料来提高气敏特性，通过大量文献调研证实，这种分等级结构复合物可以提高气体传感器的气敏特性。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种基于Cu2O
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CuO分等级结构微米花敏感材料的二氧化氮传感器及其制备方法。
[0006]利用Cu2O
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CuO形成的p
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p异质结构微米花作为敏感材料，一方面这种复合材料结构疏松、分散性好，有利于气体的传输和检测；另一方面适量Cu2O的引入增加了CuO表面吸附氧的量，所以会引起更多的目标气体分子与氧离子参与反应；此外，Cu2O和CuO之间由于费米能级的不同会形成大量的异质结，这些异质结的出现会提供更多的反应活性位点。这两方面的共同作用大幅提高了气体与敏感材料的反应效率，进而提高了传感器的灵敏度。本专利技术所采用的市售的管式结构传感器制作工艺简单，体积小，利于工业上批量生产，因此具有重要的应用价值。
[0007]本专利技术所述的一种基于Cu2O
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CuO分等级结构微米花敏感材料的二氧化氮传感器，
由外表面带有两条平行、环状且彼此分立的金电极的陶瓷管衬底、涂覆在陶瓷管外表面和金电极上的敏感材料、置于陶瓷管内的镍铬加热线圈组成；其特征在于：敏感材料为Cu2O
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CuO分等级结构微米花，且由如下步骤制备得到，
[0008](1)称取35～40mL去离子水；
[0009](2)将0.03～0.08g Cu(CH3COO)2·
H2O和1.0～1.3g一水合柠檬酸钾依次加入到步骤(1)的去离子水中，搅拌10～20分钟后加入0.35～4.2g氢氧化钠，继续搅拌8～15分钟，直至固体物质全部溶解；
[0010](3)把步骤(2)得到的溶液转移到水热釜中，在170～190℃下保持10～15 小时后取出，自然冷却至室温后将生成的沉淀用去离子水和乙醇多次离心清洗，然后在室温下干燥后，从而得到Cu2O
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CuO分等级结构微米花敏感材料粉末。
[0011]本专利技术所述的基于Cu2O
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CuO分等级结构微米花敏感材料的二氧化氮感器的制备方法，传感器采用旁热式结构，其步骤如下：
[0012](1)取2～4mg的Cu2O
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CuO分等级结构微米花敏感材料粉末与80～120μL去离子水混合，形成糊状浆料；然后用毛刷蘸取少量浆料均匀地涂覆在外表面带有两个平行且分立的环形金电极的Al2O3陶瓷管表面上，形成15～20μm厚的敏感材料薄膜，并使敏感材料完全覆盖在Al2O3陶瓷管外表面和环形金电极上；Al2O3陶瓷管的内径和外径分别为0.6～0.8mm和1.0～1.5mm，长度为4～5mm；单个环形金电极的宽度为0.4～0.5mm，两条金电极的间距为0.5～0.6mm；金电极上引出铂丝导线，其长度为4～6mm；
[0013](2)将步骤(1)的Al2O3陶瓷管在红外灯下烘烤10～15min分钟，待敏感材料干燥后，把Al2O3陶瓷管在90～100℃下空气煅烧1.5～3.0小时；然后将电阻值为35～40Ω的镍铬加热线圈穿过Al2O3陶瓷管内部作为加热丝，最后将上述器件按照旁热式气敏元件进行焊接和封装，从而得到基于Cu2O
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CuO分等级结构微米花敏感材料的二氧化氮传感器。
[0014]本专利技术制备的基于Cu2O
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CuO分等级结构微米花敏感材料的二氧化氮传感器具有以下优点：
[0015]1.利用一步简单的水热法成功制备出Cu2O
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CuO分等级结构微米花，合成方法简单，成本低廉；
[0016]2.通过将Cu2O与CuO两种材料相结合，显著提高了CuO基传感器对二氧化氮的浓度检测范围(5ppb～1ppm)，并提高了传感器的灵敏度(10.2
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100ppb)，降低了传感器的气体浓度检测下限(1.37～5ppb)，且具有良好稳定性，在检测微环境中二氧化氮含量方面有广阔的应用前景；
[0017]3.采用市售管式传感器，器件工艺简单，体积小，适于大批量生产。
附图说明
[0018]图1：(a
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a1)分别为纯Cu2O微米花低倍和高倍SEM形貌图；(b
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b1)为 Cu2O
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CuO异质结敏感材料微米花低倍和高倍SEM形貌图；(c
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c1)为纯CuO微米花样品的低倍和高倍SEM形貌图；
[0019]图2：(a
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b)为Cu2O
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CuO异质结敏感材料的高倍TEM和HRTEM图；
[0020]图3：为纯Cu2O微米花、Cu2O
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CuO异质结敏感材料微米花和纯CuO微米花的XRD图；
[0021]图4：(a)对比例和实施例中传感器在不同工作温度下对100ppb NO2的灵敏度曲
线；(b)实施例传感器在最佳工作温度下对10种100ppm待测气体和100ppb NO2的选择性测试柱形图；
[0022]图5：、实施例中传感器在最佳工作温度(187本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于Cu2O
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CuO分等级结构微米花敏感材料的二氧化氮传感器，由外表面带有两条平行、环状且彼此分立的金电极的陶瓷管衬底、涂覆在陶瓷管外表面和金电极上的敏感材料、置于陶瓷管内的镍铬加热线圈组成；其特征在于：敏感材料为Cu2O
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CuO分等级结构微米花敏感材料，且由如下步骤制备得到，(1)称取35～40mL去离子水；(2)将0.03～0.08g Cu(CH3COO)2·
H2O和1.0～1.3g一水合柠檬酸钾依次加入到步骤(1)的去离子水中，搅拌10～20分钟后加入0.35～4.2g氢氧化钠，继续搅拌8～15分钟，直至固体物质全部溶解；(3)把步骤(2)得到的溶液转移到水热釜中，在170～190℃下保持10～15小时后取出，自然冷却至室温后将生成的沉淀用去离子水和乙醇多次离心清洗，然后在室温下干燥后，从而得到Cu2O
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CuO分等级结构微米花敏感材料粉末。2.如权利要求1所述的一种基于Cu2O
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CuO分等级结构微米花敏感材料的硫二氧化氮传感器，其特征在于：Al2O3陶瓷管的内径和外径分别为0.6～...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙鹏，王娜，卢革宇，王天双，闫旭，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：