一种Zn-CuO/Cu2O三元异质结复合气敏材料及其元件和制备方法技术

本发明专利技术涉及一种Zn

【技术实现步骤摘要】
一种Zn
‑
CuO/Cu2O三元异质结复合气敏材料及其元件和制备方法


[0001]本专利技术涉及气体检测
，特别是涉及一种Zn
‑
CuO/Cu2O三元异质结复合气敏材料及其元件和制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，空气污染一直对人类的健康造成极大的威胁。NO2是一种常见的有害空气污染物，对人类健康和环境都带来负面影响因此，设计出一种可以精确的识别空气中NO2气体的检测装置对于保护人类健康和环境安全具有重要意义。
[0003]气体传感器是一种在一定浓度的目标气体与气体敏感材料相接触时，将二者之间发生的化学反应转化成电信号的一种气体检测设备，它能够对空气中各种易燃性气体、毒性气体和挥发性气体的高效精准地检测和识别。而气体敏感材料是气体传感器气敏性能的关键因素。p型氧化铜(CuO)材料因其在室温下具有较大的表面积，优异的稳定性和窄的带隙(1.2eV)等特征，近些年来被广泛的应用于气体传感器领域。相关研究表明，通过对金属氧化物半导体(MOS)构建二元、三元异质结复合材料可显著提升其气敏性能。近年来，研究人员通过一些方法制备了CuO基复合材料。
[0004]例如文献《M.Hoppeetal.,(CuO
‑
Cu2O)/ZnO:Alheterojunctions for volatile organic compound detection,Sensors and Actuators B:Chemical,255(2018)1362
‑/>1375》公开的方案中，采用简单化学合成法(SCS)在商用玻璃衬底上从锌和铝离子水溶液中生长出晶体ZnO:Al纳米结构薄膜，而后在其表面通过溅射沉积的金属Cu薄膜，并且在425℃下进行热退火后得到顶部的CuO
‑
Cu2O层。(CuO
‑
Cu2O)/ZnO:Al材料在350℃的工作温度下，对100ppm的正丁醇气体响应约为3。然而该方案制备方法复杂，工作温度高，响应低，不利于室温检测。
[0005]此外，文献《W Wang et al.，Metal
–
organic framework
‑
derived Cu2O
–
CuO octahedrons for sensitive and selective detection of ppb
‑
level NO
2 at room temperature，Sensors and Actuators B:Chemical,328(2021)129045》公开的方案中，通过Cu基金属有机骨架(MOF)前驱体的热分解制备Cu2O
‑
CuO异质结八面体，在室温下对500ppb的NO2，响应为8.25，比纯CuO粉末高2.88倍同时其响应时间和恢复时间分别为66/1020s，有着最低检测浓度(10ppb)。然而该方案制备的Cu2O
‑
CuO异质结材料在检测NO2气体时，其恢复时间过长，不利于气体的恢复。
[0006]再例如文献《N.Wanget al.,Highly sensitive and selective NO
2 gas sensor fabricated from Cu2O
‑
CuO microflowers,Sensors and Actuators B:Chemical,362(2022)131803》公开的方案中，通过简单的水热方法制备了由纳米棒组装的三维分层Cu2O
‑
CuO纳米微花，在最佳工作温度187℃对100ppb NO2响应为5.0，较纯相Cu2O/CuO的响应值提升约5倍，且具有较短的响应时间(35s)和恢复时间(47s)，有着较低的检测极限5ppb。然而该方案制备的三维分层Cu2O
‑
CuO纳米微花检测NO2气体的温度过高，可能会使传感器的寿命
缩短，不利于室温检测。
[0007]综上所述的方案制备的CuO基复合气敏材料，存在工作温度过高，不利于室温检测的缺陷。

技术实现思路

[0008]基于此，有必要针对现有CuO基复合气敏材料，工作温度过高，不利于室温检测的技术问题，提供一种Zn
‑
CuO/Cu2O三元异质结复合气敏材料及其元件和制备方法。
[0009]本专利技术提出一种Zn
‑
CuO/Cu2O三元异质结复合气敏材料，所述Zn
‑
CuO/Cu2O三元异质结复合气敏材料是由CuO、Cu2O、ZnO纳米相组成的，其中Zn、Cu的原子体积比为1.5
‑
2.6％，在所述Zn
‑
CuO/Cu2O三元异质结复合气敏材料的界面处，存在Zn
‑
CuO/Cu2O三元异质结。
[0010]本专利技术通过对CuO/Cu2O复合材料进行Zn
2+
掺杂后，得到Zn
‑
CuO/Cu2O三元异质结复合气敏材料，Zn
2+
的掺杂，使得材料表面的吸附氧位点增多，为目标气体分子提供更多的活性吸附位点，有助于气体分子的吸附和解吸；表面形成大量的吸附氧位点和三元异质结的协同作用，提高了对NO2的选择性、灵敏度和稳定性，实现室温下检测NO2，并且在室温下对2ppbNO2具有较高的响应。
[0011]本专利技术还提出一种Zn
‑
CuO/Cu2O三元异质结复合气敏材料的制备方法，包括以下步骤：
[0012]S1.将去离子水、无水乙醇、DMF混合得到混合溶液A；
[0013]S2.将Cu(CH3COO)2·
H2O粉末、Zn(NO3)2·
6H2O粉末加入到所述混合溶液A中，在室温下搅拌均匀后得到混合溶液B；
[0014]S3.将所述混合溶液B转移至高压釜中进行水热反应，离心、洗涤、干燥后，即得Zn
‑
CuO/Cu2O三元异质结复合气敏材料。
[0015]在本专利技术的一较佳实施例中，在所述步骤S1中，所述去离子水、无水乙醇、DMF的体积比为1:4:1
‑
2；
[0016]在本专利技术的一较佳实施例中，在所述步骤S2中，所述Zn(NO3)2·
6H2O粉末、Cu(CH3COO)2·
H2O粉末、混合溶液A的质量体积比为1g:(20
‑
40)g：(7
‑
12)L；
[0017]和/或，在所述步骤S2中，所述搅拌时间为1
‑
2h。
[0018]在本专利技术的一较佳实施例中，在所述步骤S3中，所述水热反应的温度为150℃
‑
180℃，保温时间为5
‑
10h；
[0019]和/或，在所述步骤S3中，所述洗涤是利用无水乙醇洗涤3次，所述干燥时在温度为60
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Zn
‑
CuO/Cu2O三元异质结复合气敏材料，其特征在于，所述Zn
‑
CuO/Cu2O三元异质结复合气敏材料是由CuO、Cu2O、ZnO纳米相组成的，其中Zn、Cu的原子体积比为1.5
‑
2.6％。2.一种如权利要求1所述的Zn
‑
CuO/Cu2O三元异质结复合气敏材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.将去离子水、无水乙醇、DMF混合得到混合溶液A；S2.将Cu(CH3COO)2·
H2O粉末、Zn(NO3)2·
6H2O粉末加入到所述混合溶液A中，在室温下搅拌均匀后得到混合溶液B；S3.将所述混合溶液B转移至高压釜中进行水热反应，离心、洗涤、干燥后，即得Zn
‑
CuO/Cu2O三元异质结复合气敏材料。3.根据权利要求2所述的Zn
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CuO/Cu2O三元异质结复合气敏材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述去离子水、无水乙醇、DMF的体积比为1:4:1
‑
2。4.根据权利要求2所述的Zn
‑
CuO/Cu2O三元异质结复合气敏材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述Zn(NO3)2·
6H2O粉末、Cu(CH3COO)2·
H2O粉末、混合溶液A的质量体积比为1g:(20
‑
40)g：(7
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12)L；和/或，在所述步骤S2中，所述搅拌时间为1
‑
2h。5.根据权利要求2所述的Zn
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘桂武，倪敏杰，乔冠军，侯海港，刘军林，
申请(专利权)人：微集电科技苏州有限公司，
类型：发明
国别省市：