一种ZnO纳米团簇、甲醛气体传感器及其制备和应用制造技术

本发明专利技术属于气体传感器技术领域，具体涉及一种ZnO纳米团簇、甲醛气体传感器及其制备和应用，以碱和锌盐为原料制得ZnO纳米种子，再与ε

【技术实现步骤摘要】
一种ZnO纳米团簇、甲醛气体传感器及其制备和应用


[0001]本专利技术属于气体传感器
，具体涉及一种ZnO纳米团簇、甲醛气体传感器及其制备和应用，该ZnO纳米团簇为三维、多孔、富缺陷ZnO纳米团簇。

技术介绍

[0002]甲醛(HCHO)一种无色气体、有特殊的刺激气味的挥发性气体，是一种重要的化工原料，在粘合剂、涂料等室内装修材料中有着广泛的应用。长期暴露于甲醛气氛中会对人的身体健康造成严重伤害，皮肤直接接触甲醛会导致过敏性皮炎、斑点和坏死，吸入甲醛会诱发支气管炎、呼吸道刺激，水肿，眼睛刺激和头痛等生理症状。因此，开发甲醛传感器能够有效检测所处环境中的甲醛含量，有效地保障人类的身体健康，是一项现实意义较大的工作。
[0003]以金属氧化物半导体为敏感材料的电阻型气体传感器具有灵敏度高，低成本等优点，是目前应用最广泛的传感器类型之一。ZnO是常见的宽禁带n型金属氧化物半导体材料，广泛用于气体传感的敏感材料。然而，基于ZnO纳米材料的传感器往往需要通过高温激发才能得到较好的响应，这极大地限制了ZnO基气体传感器的应用范围。因此需要对ZnO材料进行进一步的改进从而提高其气敏性能。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在提供一种ZnO纳米团簇、甲醛气体传感器及其制备和应用，所制备的三维ZnO纳米团簇具有丰富的氧空位和良好的孔隙结构，将此三维ZnO纳米团簇覆盖在传感器载体的外表面，制备的传感器在室温可见光照场合下，具备更高的灵敏度，较短的响应、恢复时间，在实际应用中具有广阔的应用前景。
>[0005]按照本专利技术的技术方案，所述ZnO纳米团簇的制备方法，包括以下步骤，a1：将锌盐和碱加入加入乙醇水溶液中，搅拌反应，制得ZnO纳米种子；
[0006]a2：将所述ZnO纳米种子和ε
‑
Zn(OH)2溶于水中，得到混合溶液；
[0007]a3：在微波水热条件下，将所述混合溶液升温至80
‑
100℃反应5
‑
10min，通过微波水热促进ZnO晶体生长并形成缺陷，得到所述ZnO纳米团簇。
[0008]进一步的，所述锌盐在可溶性锌盐，选自氯化锌或醋酸锌；所述碱选自氢氧化钠或氢氧化钾；所述乙醇水溶液的乙醇的体积分数为40
‑
70％，优选为50％。
[0009]进一步的，所述步骤a1中，碱与锌盐的摩尔比为1.25
‑
1.5：1。
[0010]进一步的，所述步骤a2中，ZnO纳米种子和ε
‑
Zn(OH)2的质量比为2
‑
4：1
‑
3。
[0011]具体的，所述ZnO纳米团簇的制备方法可以如下：
[0012]a1：按照1.25
‑
1.5：1的摩尔比，称取氢氧化钠和醋酸锌加入乙醇水溶液中，然后在室温下剧烈搅拌1
‑
2h；
[0013]a2：将步骤a1的溶液过滤获得的产物用去离子水冲洗3
‑
5次后放在干燥箱中干燥后，得到ZnO纳米种子；
[0014]a3：按质量比为1
‑
3：2
‑
4称取ε
‑
Zn(OH)2(1.0
‑
3.0g)，由步骤a2获得的ZnO纳米种子
(0.2
‑
0.4g)，加入去离子水(40
‑
50mL)中，搅拌均匀；
[0015]a4：将步骤a3获得的溶液转移至聚四氟乙烯内衬的高压釜(100mL)中，在微波水热条件下，升温至80
‑
100℃反应5
‑
10min；
[0016]a5：待步骤a4的反应釜冷却至室温后，将所得产物用去离子水冲洗3
‑
5次后放入恒温干燥箱内，在60
‑
80℃下持续干燥8
‑
12h，待温度自然冷却后，即得到ZnO粉末状样品，即所述ZnO纳米团簇。
[0017]本专利技术的第二方面提供了上述制备方法制得的ZnO纳米团簇。
[0018]具体的，所述ZnO粉末状样品中包含的ZnO纳米团簇的直径为5
‑
10μm，组成ZnO纳米团簇的ZnO纳米棒长度为1
‑
2μm。
[0019]本专利技术的第三方面提供了一种甲醛气体传感器的制备方法，包括以下步骤：
[0020]b1：将上述ZnO纳米团簇分散在无水乙醇或水中，得到混合液；
[0021]b2：将所述混合液涂覆在传感器载体的电极表面形成敏感材料薄膜，干燥，得到所述甲醛气体传感器。
[0022]进一步的，所述步骤b1中，ZnO纳米团簇与无水乙醇或水的体积比为2
‑
5：1，所述混合液成浆糊状。
[0023]进一步的，所述敏感材料薄膜的厚度为10
‑
30μm。
[0024]进一步的，所述传感器载体包括单晶硅片基板，覆盖在所述单晶硅片基板表面的二氧化硅绝缘层，以及集成在所述二氧化硅绝缘层表面的叉指状的电极。
[0025]具体的，传感器载体的制备方法如下：单晶硅片基板上生长二氧化硅绝缘层，在覆盖二氧化硅绝缘层的单晶硅基板上通过光刻技术，射频溅射技术和剥离工艺集成叉指状电极。
[0026]其中，所述单晶硅片基板尺寸为6*4*0.5mm，二氧化硅绝缘层厚300nm，叉指电极有25对叉指，单个叉指宽20μm，长1.5mm，相邻叉指间隙为20μm，电极由Cr/Au组成，厚度为10nm/100nm。
[0027]进一步的，所述传感器载体表面除叉指电极外也均匀覆盖有所述ZnO纳米团簇构成的敏感材料薄膜。
[0028]本专利技术的第四方面提供了上述制备方法制得的甲醛气体传感器。
[0029]进一步的，所述甲醛气体传感器还包括光照模块，所述光照模块用于对所述传感器载体表面覆盖的敏感材料进行可见光照射。
[0030]本专利技术的第五方面提供了上述ZnO纳米团簇，或甲醛气体传感器在室温下检测甲醛的应用。
[0031]本专利技术的技术方案相比现有技术具有以下优点：
[0032]本专利技术方法可以制备直径在5
‑
10μm的三维、多孔、富缺陷ZnO纳米团簇，将此三维、多孔、富缺陷ZnO纳米团簇覆盖在传感器载体的外表面，制备成甲醛气体传感器，因为制备的三维ZnO纳米团簇具有良好的孔隙结构，有利于甲醛气体的渗透扩散，促进甲醛与敏感材料充分接触反应，提高传感器的灵敏度和反应速度；
[0033]本专利技术甲醛气体传感器还包括光照模块，由于制备的三维ZnO纳米团簇具有丰富的缺陷，能够调整ZnO的能带结构和减小带隙，使得制备的ZnO纳米材料的吸收光谱拓宽到可见光范围内，提高光能利用效率；在可见光照射下，制备的ZnO纳米材料能够产生更多的
电子
‑
空穴对并且能够有效分离电子
‑
空穴对，从而提高吸附氧数量，进一步本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种ZnO纳米团簇的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，a1：将锌盐和碱加入加入乙醇水溶液中，搅拌反应，制得ZnO纳米种子；a2：将所述ZnO纳米种子和ε
‑
Zn(OH)2溶于水中，得到混合溶液；a3：在微波水热条件下，将所述混合溶液升温至80
‑
100℃反应5
‑
10min，得到所述ZnO纳米团簇。2.如权利要求1所述的ZnO纳米团簇的制备方法，其特征在于，所述步骤a1中，碱与锌盐的摩尔比为1.25
‑
1.5：1。3.如权利要求1所述的ZnO纳米团簇的制备方法，其特征在于，所述步骤a2中，ZnO纳米种子和ε
‑
Zn(OH)2的质量比为2
‑
4：1
‑
3。4.一种权利要求1
‑
3中任一项所述的制备方法制得的ZnO纳米团簇。5.一种甲醛...

【专利技术属性】
技术研发人员：张博，张帅，倪屹，夏仡，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：