一种基于富硫空位ZnIn2S4纳米花敏感材料的三乙胺气体传感器及其制备方法技术

一种基于{0001}晶面纳米片组装的富硫空位ZnIn2S4纳米花敏感材料的三乙胺气体传感器及其制备方法，属于气体传感器技术领域。由从下至上的Al2O3衬底、Pd金属叉指电极和涂覆在Pd金属叉指电极上的基于{0001}晶面纳米片组装的富硫空位ZnIn2S4纳米敏感材料层组成。本发明专利技术通过改变合成条件来合成了ZnIn2S4纳米花敏感材料，通过S缺陷工程控制生长出的ZnIn2S4纳米花是由暴露高能{0001}面的纳米片自组装而成的，表面具有大量的可作为传感反应活性位点的S空位，因此对三乙胺气体具有良好的检测性能。同时本发明专利技术采用的工艺简单、制得的器件体积小、适于大批量生产，因而具有重要的应用价值。价值。价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于富硫空位ZnIn2S4纳米花敏感材料的三乙胺气体传感器及其制备方法


[0001]本专利技术属于气体传感器
，具体涉及一种基于{0001}晶面纳米片组装的富硫空位ZnIn2S4纳米花敏感材料的三乙胺气体传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着工业和科技的飞速发展，在物质财富极大丰富的同时，生产安全和环境问题也日益凸显。人们有越来越多的机会接触危险气体，例如以甲烷和一氧化碳为主要成分的天然气，装修材料中释放的有机易挥发性有毒气体甲醛、苯、二甲苯，煤炭燃烧、汽车尾气中的二氧化硫和氮氧化物等。这些易燃易爆、有毒有害气体一旦产生或泄露，就会对人们的健康和生命造成威胁。因此，开发响应度高、检测速度快的气体传感器十分有必要。
[0003]三乙胺是一种无色透明液体，伴随有强烈的刺激性气味。作为溶剂和反应物被广泛的应用于防腐、染料等化工领域。不仅如此，也有大量的报道证实，在鱼类和其他海洋生物死亡后的尸体，在腐败变质过程中会排放出三乙胺气体。但是，根据美国国家职业安全卫生研究所建议，不正确的接触三乙胺气体会对人的肝、肾、肺等造成不可逆的损伤。因此，开发对三乙胺的检测下限低、响应速度快的传感器，对于人们的生产生活显得至关重要。
[0004]二维(2D)层状金属硫化物气体传感的基本原理主要是基于气体分子与传感材料表面之间的电荷转移过程。与传统的金属氧化物不同，二维材料充当电荷受体或供体，导致整个系统的电阻(或电导)变化。一旦暴露在反应性气体中，气体分子就会被静电力吸附在二维材料的表面上。电子电荷转移的方向取决于反应气体的类型(还原性或氧化性)。由于气体分子在暴露于空气时解吸，传感材料的电阻恢复到其初始值。电阻调制的量由反应气体释放或吸收电子的电荷亲和力决定。二维层状金属硫化物材料显示出多种化学性质和可调带隙的优势，使得其在实际气体传感设备的设计中更为有益。
[0005]但是在快速发展的二维层状金属硫化物材料的气敏应用中，仍需应对选择性、气体响应、响应时间、恢复时间和稳定性等挑战。为了解决这个问题，通过研究了与层相关的特性以及表面结构修改，例如特定边缘位点的暴露、化学掺杂和配体共轭，以提高材料的传感性能。受到晶面与气体传感之间的相互影响，纳米薄片材料可以被减薄到几纳米并成形以暴露唯一的高能表面，使其在气体传感过程中充分利用尺寸和表面效应。此外，在实际应用中，空位缺陷的出现有助于调节气体吸附特性和材料特性。这些特性的存在证实了在超薄二维半导体晶格中引入硫(S)空位是调整材料电子结构、实现高性能传感的有效策略。
[0006]ZnIn2S4是一种具有S
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Zn
‑
S
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In
‑
S
‑
In
‑
S型层叠结构的超薄二维材料，其表面活性很大程度上取决于主要的{0 0 0 1}晶面。同时，受到ZnIn2S4微/纳米晶体内各缺陷形成能的影响，导致其更容易形成晶格硫空位缺陷。因此，结合这些特性，本专利技术合成了具有{0 0 0 1}晶面暴露的ZnIn2S4晶体，并通过改变合成条件来对材料晶格中S的含量进行可控调整，实现对ZnIn2S4微/纳米晶体中气体吸附特性的优化，表现出高效的气敏性能。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供一种基于{0001}晶面纳米片组装的富硫空位ZnIn2S4纳米花敏感材料的三乙胺气体传感器及其制备方法。本专利技术所述方法简单易行、工序少、成本低廉、对设备要求低，能够提高气体传感器对三乙胺的气敏响应，适于大批量生产，具有重要的应用价值。
[0008]本专利技术所述的一种基于{0001}晶面纳米片组装的富硫空位ZnIn2S4纳米花敏感材料的三乙胺气体传感器，由从下至上的Al2O3衬底、Pd金属叉指电极和涂覆在Pd金属叉指电极上的基于{0001}晶面纳米片组装的富硫空位ZnIn2S4纳米敏感材料层组成，且该纳米材料敏感层由如下方法制备得到，
[0009]室温条件下，将由0.28～0.30g六水合硝酸锌和0.43～0.45g无水氯化铟组成固定化学计量比为1：2的金属前体溶解在55～60mL去离子水中，之后添加 0.30～0.60g硫代乙酰胺、0.03g～0.09g柠檬酸和0.01～0.02g聚乙二醇(PEG， 2000～4000MW)，剧烈搅拌10～20min；将得到的混合溶液转移到反应釜中，在 150～170℃下反应11～13h，冷却至室温后将生成物用乙醇离心清洗，离心产物在 60～80℃下干燥24～30小时，从而得到基于{0001}晶面纳米片组装的富硫空位 ZnIn2S4纳米花敏感材料。
[0010]本专利技术所述的一种基于{0001}晶面纳米片组装的富硫空位ZnIn2S4纳米花敏感材料的三乙胺气体传感器的制备方法，其步骤如下：
[0011]1)Pd金属叉指电极的处理：
[0012]分别用丙酮、乙醇棉球擦拭带有Pd金属叉指电极的Al2O3衬底至干净，再将带有Pd金属叉指电极的Al2O3衬底依次置于丙酮、乙醇和去离子水中，分别超声清洗5～10分钟，最后在100～120℃下干燥；
[0013]本专利技术使用丝网印刷技术在Al2O3衬底上制备Pd金属叉指电极，具体方法如下：将油墨[佳华JX07500487]、Pd粉、稀释剂按1：1：2的质量比进行混合，搅拌调制成浆糊；然后将浆糊注入到带有叉指电极图案的丝网版上，在30
°
～45
°
的倾斜角度和5～10牛顿压力条件下刮动浆糊，在Al2O3衬底上印制叉指电极并烘干，紫外光固化后完成Pd金属叉指电极的制备，Pd金属叉指电极的宽度和电极间距均为0.15～0.20mm，厚度为100～150nm，叉指电极的对数是5～10对。
[0014]2)基于{0001}晶面纳米片组装的富硫空位ZnIn2S4纳米花敏感材料的三乙胺气体传感器的制备：
[0015]将基于{0001}晶面纳米片组装的富硫空位ZnIn2S4纳米花敏感材料放入研钵中，研磨20～30分钟，得到纳米材料粉末；然后向研钵中滴入去离子水，再继续研磨20～30分钟，得到黏稠状的浆料；纳米材料与去离子水的质量比为5：1～3；用小毛刷沾取少量的浆料，涂覆在带有Pd金属叉指电极的Al2O3衬底上，使浆料完全覆盖Pd金属叉指电极和Al2O3衬底，然后将其在60～80℃条件下烘干，得到厚度为2～4μm的ZnIn2S4纳米花敏感材料材料敏感层；最后在相对湿度为 20％～40％RH、温度为20～35℃的环境中，在60～80mA的直流电下老化48～72 小时，从而得到基于{0001}晶面纳米片组装的富硫空位ZnIn2S4纳米花敏感材料的气体传感器。
[0016]本专利技术利用北京埃利特科技有限公司生产的CGS
‑
1TP型气敏性能测试仪对其三乙胺气敏性能进行测试。
[0017]与现有技术相比，本专利技术具有的优点和积极效果是：
[0018]本专利技术中，通过改变合成条件来合成了基于{0001}晶面纳米片组装的富硫空位Zn本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于{0001}晶面纳米片组装的富硫空位ZnIn2S4纳米花敏感材料的三乙胺气体传感器，由从下至上的Al2O3衬底、Pd金属叉指电极和涂覆在Pd金属叉指电极上的基于{0001}晶面纳米片组装的富硫空位ZnIn2S4纳米敏感材料层组成，且该纳米材料敏感层由如下方法制备得到，室温条件下，将由0.28～0.30g六水合硝酸锌和0.43～0.45g无水氯化铟组成固定化学计量比为1：2的金属前体溶解在55～60mL去离子水中，之后添加0.30～0.60g硫代乙酰胺、0.03g～0.09g柠檬酸和0.01～0.02g聚乙二醇(PEG，2000～4000MW)，剧烈搅拌10～20min；将得到的混合溶液转移到反应釜中，在150～170℃下反应11～13h，冷却至室温后将生成物用乙醇离心清洗，离心产物在60～80℃下干燥24～30小时，从而得到基于{0001}晶面纳米片组装的富硫空位ZnIn2S4纳米花敏感材料。2.如权利要求1所述的一种基于{0001}晶面纳米片组装的富硫空位ZnIn2S4纳米花敏感材料的三乙胺气体传感器，其特征在于：基于{0001}晶面纳米片组装的富硫空位ZnIn2S4纳米花敏感材料的直径为4
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8μm。3.如权利要求1所述的一种基于{0001}晶面纳米片组装的富硫空位ZnIn2S4纳米花敏感材料的三乙胺气体传感器，其特征在于：基于{0001}晶面纳米片组装的富硫空位ZnIn2S4纳米敏感材料层的厚度为2～4μm。4.如权利要求1所述的一种基于{0001}晶面纳米片组装的富硫空位ZnIn2S4纳米花敏感材料的三乙胺气体传感器，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：阮圣平，樊怡灼，刘彩霞，李昕，周敬然，马艳，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：