基于Fe,N-GQDs修饰的三维堆叠In2O3纳米片敏感材料的NO2传感器及制备制造技术

一种基于Fe,N

【技术实现步骤摘要】
基于Fe,N
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GQDs修饰的三维堆叠In2O3纳米片敏感材料的NO2传感器及制备


[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Fe,N
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GQDs修饰的三维堆叠In2O3纳米片敏感材料的NO2传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，伴随着工业的发展，人们生活水平不断提高，但有害气体的排放却加剧了大气污染问题。此外，二氧化氮(NO2)主要由机动车尾气和化石燃料燃烧释放，是一种常见的有毒有害气体，NO2的排放不仅会导致酸雨，对水、陆地和人工生态系统产生严重的负面影响，还会形成地面光化学烟雾，对人体健康造成极大的危害。因此，开发用于快速、准确监测NO2，并且具有高灵敏度、高稳定性、低成本和小型化等特性的气体传感器尤其重要。综上，找到一种恰当的方法检测NO2气体是非常必要的。
[0003]基于金属氧化物半导体的气体传感器由于其纯固态、占用空间小、费用低等特点吸引了广泛关注。In2O3具有更宽的带隙(3.55
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3.75eV)、更低的电阻(1kΩ～160kΩ)和更高的电导率(电导率超过1000S/m)等独特优点，已被证明是一种理想的NO2气体传感器材料。此外，In2O3具有六方晶型(H
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In2O3)和立方晶型(C
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In2O3)两种晶相，形貌也易于调控，可以通过合理设计进行界面调控。石墨烯量子点(GQDs)由于具有量子尺寸、边缘效应和高导电性等特性，被认为是潜在的传感材料之一。通过合理的设计和应用，它们可以与金属氧化物半导体(MOS，In2O3是金属氧化物半导体中的一种)材料复合，并被认为可以通过形成异质界面实现增强的气敏性能。因此可将Fe,N共掺杂的GQDs(Fe,N
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GQDs)修饰的3D
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In2O3纳米片用于NO2气体的检测。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种基于Fe,N
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GQDs修饰的三维堆叠In2O3纳米片敏感材料的NO2传感器及其制备方法。本专利技术所得到的传感器除了具有高灵敏度外，还具有较低的检测下限和良好的选择性。
[0005]本专利技术所涉及的NO2传感器是以Fe,N
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GQDs修饰的三维堆叠In2O3纳米片为敏感材料，一方面Fe,N
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GQDs和In2O3复合形成了0D/3D异质界面改善了纳米级界面；另一方面纳米片的有序组装防止了面面堆叠，促进了气体扩散；此外，材料氧空位的增加以及Fe和N对石墨烯量子点的共掺杂，增强了材料表面的活性位点和反应能力。这些方面的共同作用促进了敏感材料与NO2气体之间的反应效率，提升了材料灵敏度和选择性，缩短了响应和恢复时间。本专利技术通过水热法，分别制备了N
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GQDs，Fe,N
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GQDs和三维堆叠的In2O3纳米片，接着通过二次水热法制备了Fe,N
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GQDs修饰的三维堆叠In2O3纳米片复合材料以改善材料的气敏性能。基于最佳GQDs掺杂比例(0.3wt％)的In2O3化学电阻型气体传感器，在50℃的工作温度下，可以实现低至10ppb NO2气体的灵敏检测。
[0006]本专利技术所述的一种基于Fe,N
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GQDs修饰的三维堆叠In2O3纳米片敏感材料的NO2气
体传感器，如图1所示，由外表面两侧带有一对平行环形金电极并在每个金电极上连接两根铂丝导线的Al2O3陶瓷管衬底、涂覆在Al2O3陶瓷管外表面和金电极上的敏感材料、置于Al2O3陶瓷管内部的镍铬金属加热线圈组成；敏感材料为Fe,N
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GQDs修饰的三维堆叠In2O3纳米片敏感材料，且其由如下步骤得到：
[0007](1)首先通过水热法和退火合成了三维堆叠的In2O3纳米片敏感材料：将0.2～0.3g InCl3·
4H2O和1.4～1.5g十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)加入20～40mL去离子水中，剧烈搅拌3～6h，使溶液均匀；然后向上述溶液中加入0.304g硫脲，再搅拌0.5～1.5小时；将得到的混合物转移到50mL聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜中，良好密封后在180～200℃下保持15～20小时；收集得到的前驱体，用去离子水和乙醇交替洗涤5～8次，再在70～90℃干燥10～20小时，将得到的固体粉末在空气中于500～700℃下煅烧1.5～3.0小时，从而得到三维堆叠的In2O3纳米片敏感材料；
[0008](2)Fe,N
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GQDs悬浮液的合成：将7～9mmol柠檬酸和23～25mmol尿素溶解在30～50mL去离子水中，然后加入0.4g FeCl3·
6H2O，超声处理10～30min；转移至50mL聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜中，在140～180℃下保持5～10h，收集所得前驱体，10000～15000rpm离心10～30min，将得到的上清液用0.22μm的过滤膜进行过滤，过滤产物干燥或冻干后加入去离子水，得到Fe,N
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GQDs悬浮液，Fe,N
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GQDs的浓度为2mg/mL；
[0009](3)将50mg步骤(1)得到三维堆叠的In2O3纳米片敏感材料和75μL步骤(2)得到的Fe,N
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GQDs悬浮液分散在5～20mL去离子水中并搅拌20～40min；然后将得到的混合物转移到30mL聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜中，良好密封后在120～160℃加热3～6小时，冷却至室温后干燥，得到的Fe,N
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GQDs/In2O3(0.3wt％)纳米片敏感材料。
[0010]本专利技术所述的一种基于Fe,N
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GQDs修饰的三维堆叠In2O3纳米片敏感材料的NO2气体传感器的制备方法，其步骤如下：
[0011](1)取10～20mg Fe,N
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GQDs修饰的三维堆叠In2O3纳米片敏感材料于玛瑙研钵中，滴入3～5滴乙醇，充分混合并研磨成浆糊状，之后蘸取适量浆料均匀地涂覆在Al2O3陶瓷管的外表面，形成15～30μm厚的敏感材料层，并使敏感材料完全覆盖陶瓷管外表面两侧的一对平行环形金电极；Al2O3陶瓷管的长度为4.0～4.5mm，内径和外径分别为0.8～1.0mm和1.2～1.5mm；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；
[0012](2)将步骤(1)得到的外表面涂覆有敏感材料的Al2O3陶瓷管在空气中于200～300℃下煅烧1.5～3.0小时提高敏感材料稳定性，升温速率3～6℃/min，待温度降到室温后，将电阻值为36～39Ω的镍铬合金加热线圈从陶瓷管内部穿过作为加热丝；最后将上述器件焊接在六角管座上，从而制备得到基于Fe,N
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GQDs修饰的三维堆叠In2O3纳米片敏感材料的旁热式NO2气体传感器。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于Fe,N
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GQDs修饰的三维堆叠In2O3纳米片敏感材料的NO2气体传感器，由外表面两侧带有一对平行环形金电极并在每个金电极上连接两根铂丝导线的Al2O3陶瓷管衬底、涂覆在Al2O3陶瓷管外表面和金电极上的敏感材料、置于Al2O3陶瓷管内部的镍铬金属加热线圈组成；其特征在于：敏感材料为Fe,N
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GQDs修饰的三维堆叠In2O3纳米片敏感材料，且其由如下步骤得到，(1)将0.2～0.3g InCl3·
4H2O和1.4～1.5g十六烷基三甲基溴化铵加入20～40mL去离子水中，剧烈搅拌3～6h，使溶液均匀；然后向上述溶液中加入0.304g硫脲，再搅拌0.5～1.5小时；将得到的混合物转移到聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜中，良好密封后在180～200℃下保持15～20小时；收集得到的前驱体，用去离子水和乙醇交替洗涤5～8次，再在70～90℃干燥10～20小时，将得到的固体粉末在空气中于500～700℃下煅烧1.5～3.0小时，得到三维堆叠的In2O3纳米片敏感材料；(2)将7～9mmol柠檬酸和23～25mmol尿素溶解在30～50mL去离子水中，然后加入0.4g FeCl3·
6H2O，超声处理10～30min；转移至聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜中，在140～180℃下保持5～10h，收集所得前驱体，10000～15000rpm离心10～30min，将得到的上清液用0.22μm的过滤膜进行过滤，过滤产物干燥或冻干后加入去离子水，得到Fe,N
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GQDs悬浮液，Fe,N
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GQDs的浓度为2mg/mL；(3)将50mg步骤(1)得到三维堆叠的In2O3纳米片敏感材料和75μ...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢革宇，韩佳音，高原，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：