一种基于In2O3/ZIF-8核壳纳米立方体复合材料的NO2传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于In2O3/ZIF

【技术实现步骤摘要】
一种基于In2O3/ZIF
‑
8核壳纳米立方体复合材料的NO2传感器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及半导体气体传感器
，具体为一种基于In2O3/ZIF
‑
8核壳纳米立方体复合材料的NO2传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，城市化、工业化和交通运输业的快速发展造成了严重的空气污染。二氧化氮(NO2)是大气六种典型污染物(PM
2.5
、PM
10
、O3、SO2、NO2、CO)之一，是一种有毒、刺鼻、腐蚀性强的气体，广泛来源于化石燃料燃烧、工业尾气和汽车尾气。NO2气体会扰乱大气成分，带来酸雨等极端天气，对生态环境造成严重破坏和建筑物腐蚀。此外，NO2气体也会对人体健康造成很大的危害，呼吸微量的NO2气体会刺激呼吸道，引起干咳或咽部不适。如果人体暴露于NO2气体超过15分钟，就会导致慢性呼吸道炎症、神经衰弱综合征等疾病。我国居住区大气有害物质最大允许浓度文件规定NO2浓度不能超过0.15 mg/m3。因此，实时监测大气环境中NO2浓度对城市生态环境保护和人类健康具有重要意义。
[0003]目前，城市大气中NO2浓度的测定主要采用盐酸萘乙二胺分光光度法。该方法虽然具有灵敏度高、选择性好等优点，但精密仪器的高昂价格大大增加了检测成本，繁琐的测量步骤耗费了过多人力，且无法实时检测空气污染状况。相比与红外光谱、气相色谱、电化学等气体传感器，基于半导体氧化物的化学电阻式气体传感器以其小型化、低成本、优异的气敏性能和实时检测等优点得到了广泛的研究和关注，在城市大气环境检测领域显示出巨大的应用潜力。但其进一步发展仍受到工作温度高、选择性差等缺点的制约。
[0004]通过微观形貌调控和贵金属修饰等改性方法可有效降低最佳工作温度。较大的比表面积可以提高传感材料的表面活性，降低气体分子的吸附能，而贵金属的化学敏化可以增加表面负氧物种的数量，进而降低工作温度。利用贵金属或特殊半导体材料对目标气体的特异识别能力，可以改善气体传感器的选择性。然而NO2分子是典型的π键结构大分子，原子核外有一个不成对电子，具有较强的化学吸附能力，所以传统的改性方法难以提高半导体材料对NO2的选择性。近年来，研究人员发现金属有机骨架(MOF)材料的多孔结构可以过滤大分子干扰气体，从而改善气体传感器的选择性。ZIFs是金属离子与氮原子配位形成的咪唑酸盐(Im)或功能咪唑酸盐，其孔径和吸附性能可通过调节咪唑配体种类加以控制。然而，由于MOF过滤层减少了目标气体与敏感材料之间的接触面积，因此灵敏度较低。在MOF过滤层提高选择性的基础上，通过微观形貌控制提高敏感材料的表面活性，实现灵敏度和选择性的双重提高，还有待进一步研究。

技术实现思路

[0005]本专利技术为了解决NO2传感器制备中，金属有机骨架(MOF)材料的多孔结构可以过滤大分子干扰气体，提高了选择性，但是灵敏度较低的问题，提供了一种基于In2O3/ZIF
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8核壳纳米立方体复合材料的NO2传感器及其制备方法。
[0006]本专利技术是通过如下技术方案来实现的：一种基于In2O3/ZIF
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8核壳纳米立方体复合材料的NO2传感器，由尺寸为10 mm
×
10 mm的Al2O3陶瓷基底、Au叉指电极以及涂覆在Au叉指电极上的敏感材料组成，Au叉指电极与Al2O3陶瓷基底的连接方式为公知，所述敏感材料为In2O3/ZIF
‑
8核壳纳米立方体复合材料。In2O3/ZIF
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8核壳纳米立方体复合材料通过以下步骤制备得到。
[0007]（1）将0.6~0.7 g五水合硝酸铟溶于15 ml去离子水中，磁力搅拌10~20 min后加入15 ml的正丁胺，继续搅拌1 h直至完全混合；然后将上述所得溶液移至50 ml聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜中，120℃下溶剂热反应5~7 h，待反应结束后，分别用去离子水和无水乙醇各离心洗涤3次，最后将反应产物置于真空烘箱中，60℃下干燥6 h；将干燥所得反应产物移至坩埚，马弗炉中空气氛围下400℃煅烧2 h，升温速率为10℃/min；最终，得到In2O3纳米立方体；（2）将0.08~0.10 g的二甲基咪唑溶解于20 ml的甲醇溶液中，磁力搅拌10 min；取0.277 g步骤（1）所制备的In2O3纳米立方体加入溶解了二甲基咪唑的甲醇溶液中，继续搅拌20 min得到溶液
①
；同时将0.04 g的氯化锌溶于20 ml甲醇溶液中，磁力搅拌10 min的得到溶液
②
；然后将溶液
②
逐滴缓慢加至溶液
①
中，将所得混合液搅拌1 h后，转移至50 ml聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜中，75℃下溶剂热反应12 h；待冷却至室温后，将产物用甲醇溶液离心洗涤3次，真空烘箱60℃下干燥6 h后，得到In2O3/ZIF
‑
8核壳纳米立方体复合材料。
[0008]上述制备方法通过步骤（1）所制得的In2O3纳米立方体，边长为30~40 nm；因此具有较大的比表面积，有利于提高In2O3纳米材料表面活性，提高表面负氧离子物种数量，增加后续气敏氧化还原反应活性位点。步骤（2）所得到的In2O3/ZIF
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8核壳纳米立方体复合材料，为ZIF
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8过滤薄膜包覆在In2O3纳米立方体表面，ZIF
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8过滤薄膜厚度为5~10 nm。In2O3纳米立方体表面修饰的ZIF
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8过滤薄膜可以有效降低乙醇、丙酮等大分子干扰气体对NO2的交叉灵敏度，从而实现灵敏度和选择性的双重提高。
[0009]基于上述制备方法所制备的In2O3/ZIF
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8核壳纳米立方体复合材料，NO2传感器的制备方法具体为：将0.05~0.1 g 的In2O3/ZIF
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8核壳纳米立方体复合材料与0.5~1 ml无水乙醇混合，在研钵中研磨形成黏性浆料，使用毛刷蘸取黏性浆料均匀地涂覆在Au叉指电极上，将Au叉指电极放在加热台上，在80℃下烘烤20~30 min，待黏性浆料干燥后，黏性浆料成为敏感材料，得到基于In2O3/ZIF
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8核壳纳米立方体复合材料的NO2传感器。
[0010]与现有技术相比本专利技术具有以下有益效果：本专利技术所提供的一种基于In2O3/ZIF
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8核壳纳米立方体复合材料的NO2传感器及其制备方法：（1）利用简单的溶剂热法和原位生长法制备了ZIF
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8过滤薄膜修饰的In2O3纳米立方体复合材料，合成方法简单，成本低廉；（2）通过微观形貌调控控制In2O3纳米立方体尺寸，极大的提高了比表面积，增加了材料表面吸附氧数量，提高了对NO2的灵敏度，且具有快速的响应恢复速度。在此基础上，表面包覆的ZIF
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8过滤薄膜可以有效抑制大分子干扰气体的交叉灵敏度，提高选择性。因此该传感器在特异本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于In2O3/ZIF
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8核壳纳米立方体复合材料的NO2传感器，由尺寸为10 mm
×
10mm的Al2O3陶瓷基底、Au叉指电极以及涂覆在Au叉指电极上的敏感材料组成，其特征在于：所述敏感材料为In2O3/ZIF
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8核壳纳米立方体复合材料。2.一种基于In2O3/ZIF
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8核壳纳米立方体复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：（1）将0.6~0.7 g五水合硝酸铟溶于15 ml去离子水中，磁力搅拌10~20 min后加入15 ml的正丁胺，继续搅拌1 h直至完全混合；然后将上述所得溶液移至50 ml聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜中，120℃下溶剂热反应5~7 h，待反应结束后，分别用去离子水和无水乙醇各离心洗涤3次，最后将反应产物置于真空烘箱中，60℃下干燥6 h；将干燥所得反应产物移至坩埚，马弗炉中空气氛围下400℃煅烧2 h，升温速率为10℃/min；最终，得到In2O3纳米立方体；（2）将0.08~0.10 g的二甲基咪唑溶解于20 ml的甲醇溶液中，磁力搅拌10 min；取0.277 g步骤（1）所制备的In2O3纳米立方体加入溶解了二甲基咪唑的甲醇溶液中，继续搅拌20 min得到溶液
①
；同时将0.04 g的氯化锌溶于20 ml甲醇溶液中，磁力搅拌10 min的得到溶液
②
；然后将溶液
②
逐滴缓慢加至溶液
①<...

【专利技术属性】
技术研发人员：王洪涛，桑胜波，菅傲群，韩丹，冯智霖，张耀丹，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：