【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及气敏传感器，尤其涉及一种高灵敏度快速响应的乙烯气敏传感器及其制备方法和应用。
技术介绍
1、乙烯（c2h4）由两个碳原子和四个氢原子构成，碳原子之间由碳碳双键连接，结构简单，性质活泼，在工业领域、生态领域、农业领域等领域被广泛应用。近年来，人们对乙烯的需求迅速增长。然而，乙烯在空气中混合易形成爆炸性混合物、极易被氧化剂氧化、易燃烧等，对生产生活带在极大的威胁。因此，乙烯气体的检测成为生产和使用过程中必不可少的环节。传感器作为一种电子电路元件，它可以感知周围存在的刺激物发出的物理和化学信号，并将其转换为可测量的量，同时还可以简化和降低传统乙烯分析的成本，有助于现场和实时测量的实现。
2、在传感材料中，氧化锡（sno2）、氧化钨（wo3）、氧化锌（zno）、氧化钛（tio2）、氧化铁（fe2o3）等金属氧化物半导体常用于c2h4气体的检测。其中，zno属于六方晶系，在自然条件下为稳定的六角纤锌矿，锌原子和氧原子组成六方紧密堆积结构，这种几何结构使得其在室温下具有很高的化学稳定性和热稳定性；并且，zno纳米材料是一种典型的n型半导体，具有宽的禁带系数室温下为3.37 ev，具有很大的激子束缚能（约60 mev），因而在气敏领域应用较多。但现有的zno基乙烯气敏传感器灵敏度有限，导致其检测下限较高，响应速度较慢，且气体选择性较差，导致其易受到其他气体的干扰。
技术实现思路
1、为了解决上述技术问题，即现有的zno基乙烯气敏传感器灵敏度较低，且气体选择性较差，响应速
2、本专利技术的具体技术方案为：
3、第一方面，本专利技术提供了一种高灵敏度快速响应的乙烯气敏传感器的制备方法，包括以下步骤：
4、（1）在搅拌下将含锌源和铈源的金属源溶液滴入碳酸钠溶液中，全部滴完后继续搅拌至反应完全，依次进行真空抽滤和水洗抽滤，获得前驱体；对前驱体进行热处理，制得zno-ceo2复合载体；
5、（2）将金源、钯源、还原剂和水混合，获得修饰剂混合液；
6、（3）将zno-ceo2复合载体与修饰剂混合液混合，在zno-ceo2复合载体上负载上金纳米颗粒和钯纳米颗粒后，分离出产物，获得复合气敏粉体；
7、（4）将复合气敏粉体分散到水中形成膏体后，涂覆到陶瓷管上，烧结形成传感膜，再制成乙烯气敏传感器。
8、本专利技术中，采用了由特定方法制成的zno-ceo2复合载体，并配合以特定的贵金属纳米颗粒修饰，在这些因素的综合作用下，能够使制得的气敏传感器在乙烯检测中具备较高的灵敏度，以及较快的响应和恢复速度，并且，对于甲醛、乙醇、丙酮、氨气、甲苯和甲醇的敏感性较低，因而在乙烯检测中能够较好地避免这些气体的干扰，实现较高的气体选择性。具体而言：
9、1）采用由特定制备方法制成的zno-ceo2复合载体：
10、对于气敏传感器而言，要求兼具较好的气体选择性、灵敏度以及较快的响应速度，这意味着并非通过简单地提高气敏材料的比表面积，以提高灵敏度和响应速度即可，在提高气敏传感器对待测气体（乙烯）敏感性的同时，还应尽可能降低其对其他气体的敏感性，从而减小干扰。此外，气敏材料的组成成分和制备过程均会影响气敏传感器的灵敏度、响应速度和气体选择性。
11、在本专利技术所采用的zno-ceo2复合载体中，zno和ceo2之间形成n-n型异质结构，相较于单独使用zno而言，能够使气敏传感器具有更高的乙烯检测灵敏度和选择性，以及更快的响应和恢复速度。
12、并且，在制备zno-ceo2复合载体的过程中，对前驱体进行固液分离的方法对气敏传感器的灵敏度和气体选择性有较大影响。本专利技术采用真空抽滤的方式分离出前驱体，并采用抽滤的方式对前驱体进行水洗，能够发挥以下作用：采用真空抽滤和水洗抽滤的方式，能够使zno的前驱体与ceo2的前驱体被同时分离出来，在热处理后形成的zno和ceo2之间能够较好地结合，形成大量n-n型异质结构，ceo2纳米颗粒间隔在层状zno纳米片之间，形成三维多孔结构，能够使最终制得的气敏传感器对乙烯具有较高的敏感性，同时对甲醛、乙醇、丙酮、氨气、甲苯和甲醇具有较低的敏感性，因而能够在乙烯检测中实现较高的灵敏度和气体选择性，以及较快的响应速度。与抽滤相似地，离心也能够较快地实现细小颗粒的固液分离，但由于zno的前驱体与ceo2的前驱体之间的特性差异，在离心时无法被同时沉淀下来，本专利技术团队发现，这会导致气敏传感器对乙烯的敏感性降低，而对甲醛、乙醇和丙酮的敏感性提高，进而造成乙烯检测的灵敏度和响应速度下降，且易受甲醛、乙醇和丙酮的干扰。
13、2）采用金纳米颗粒和钯纳米颗粒修饰：
14、不同类型的贵金属特性，贵金属与贵金属之间的相互作用，以及贵金属与zno-ceo2复合载体之间结合和相互作用的方式，最终都会影响气敏传感器的气敏特性。本专利技术所采用的贵金属纳米颗粒（金纳米颗粒和钯纳米颗粒）与zno-ceo2复合载体之间能够形成较强的电子增感效应，增大耗尽层的宽度，为电子传输提供一个有效通道，从而增强气敏传感器的响应；同时，金纳米颗粒和钯纳米颗粒本身具有较高的表面能和催化活性，能够增加复合气敏粉体的反应活性位点，加快乙烯与复合气敏粉体的反应速率。通过上述方式，金纳米颗粒和钯纳米颗粒的修饰能够提高乙烯气敏传感器的检测灵敏度。
15、并且，本专利技术团队发现，金纳米颗粒和钯纳米颗粒之间能够相互配合，产生协同效应，相较于两者单独使用而言，配合使用能够提高气敏传感器对乙烯的敏感性，同时不会引起其对甲醛、乙醇、丙酮、氨气、甲苯和甲醇的敏感性增加，因而能够提高乙烯检测的灵敏度和气体选择性。
16、作为优选，步骤（2）中，所述修饰剂混合液中，金元素和钯元素的总含量为0.2~1.5mol/l。
17、基于贵金属纳米颗粒所发挥的作用，在一定范围内，随着修饰剂混合液中金元素和钯元素总含量的增大，有助于贵金属纳米颗粒负载到zno-ceo2复合载体中，从而提高乙烯气敏传感器的检测灵敏度。但当修饰剂混合液中金元素和钯元素总含量超过一定范围时，会导致贵金属纳米颗粒无法均匀负载在zno-ceo2复合载体中，进而对乙烯气敏传感器的灵敏度产生不利影响。因此，本专利技术在采用金纳米颗粒和钯纳米颗粒修饰的基础上，通过将修饰剂混合液中金元素和钯元素的总含量控制在0.2~1.5 mol/l，能够进一步提高气敏传感器的乙烯检测灵敏度。
18、作为优选，步骤（2）中，所述修饰剂混合液中，金元素与钯元素的摩尔比为1:0.4~2.0。
19、金元素与钯元素之间的摩尔比会影响两者之间的协同作用效果。本专利技术在将金纳米颗粒与钯纳米颗粒配合使用的基础上，通过将修饰剂混合液本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种高灵敏度快速响应的乙烯气敏传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述修饰剂混合液中，金元素和钯元素的总含量为0.2~1.5 mol/L。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述修饰剂混合液中，金元素与钯元素的摩尔比为1:0.4~2.0。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述金属源溶液中，锌源和铈源分别为醋酸锌和醋酸铈，醋酸锌和醋酸铈的摩尔比为1:0.12~0.32。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述热处理的具体过程包括以下步骤：先将前驱体在80~100℃下保温12~24 h，再在有氧气氛中350~450℃保温2~5h。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）的具体过程包括以下步骤：将金源和钯源溶解在水中，制成贵金属源溶液；将贵金属源溶液加入到还原剂溶液中，搅拌混合，获得修饰剂混合液。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步
8.根据权利要求1或7所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，通过搅拌1~4 h在ZnO-CeO2复合载体上负载上金纳米颗粒和钯纳米颗粒。
9.一种采用权利要求1~8之一所述制备方法制得的乙烯气敏传感器。
10.根据权利要求9所述乙烯气敏传感器在检测乙烯中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种高灵敏度快速响应的乙烯气敏传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述修饰剂混合液中，金元素和钯元素的总含量为0.2~1.5 mol/l。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述修饰剂混合液中，金元素与钯元素的摩尔比为1:0.4~2.0。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述金属源溶液中，锌源和铈源分别为醋酸锌和醋酸铈，醋酸锌和醋酸铈的摩尔比为1:0.12~0.32。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述热处理的具体过程包括以下步骤：先将前驱体在80~100℃下保温1...
【专利技术属性】
技术研发人员：樊文英，姚方周，钭忠尚，于东方，鞠敏，陈斌杰，
申请(专利权)人：乌镇实验室，
类型：发明
国别省市：
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