[发明专利]一种三维多孔ZnO纳米片球气敏材料和气敏元件的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及到一种三维多孔ZnO纳米片球气敏材料和气敏元件的制备方法。

背景技术

丙酮是一种普遍使用的有机试剂，在空气中易于氧化，而且氧化过程中大量消耗空气中的氧气，是一种有害的空气污染物。丙酮也是一种易燃易爆，有毒极易挥发的液体，其爆炸下限仅为2.6%，报道指出丙酮蒸汽会溶解在血液中，可以刺激人的中枢神经系统，出现乏力、头痛、呕吐，甚至昏迷的中毒症状，是一种有毒气体，对人类身体健康和环境都有严重的威胁。同时，丙酮也是I-型糖尿病的生物探针分子，可以通过检查其在病人口腔呼出的气体中的浓度无损诊断I-型糖尿病。因此，开发快速响应、高灵敏度的丙酮传感器具有重要意义。ZnO 是最重要的半导体气敏材料之一，也是制备丙酮传感器最重要的材料，但其存在灵敏度低，重复性差和不稳定等缺点，使其在实际应用中受到限制。如：哑铃状氧化锌气敏原件在工作温度为300 °C时，对100 ppm丙酮的灵敏度为 26.1（Sensor and Actuators B. 2008 , 134 , 166-170）；又如：氧化锌薄膜在工作温度为400 °C时对100 ppm丙酮的灵敏度为 30 左右（Vacuum 85, 2010 , 101-106)；再如：氧化锌空心纳米线气敏元件对100 ppm丙酮的灵敏度为67. 7（中国专利 CN 201110195804）。通过在多空ZnO纳米表面修饰Pd纳米颗粒，我们发现得到的丙酮传感器的灵敏度显著提高 （ACS Applied Material and Interface, 2012, 4 , 3797-3804）。本发明涉及一种基于三维多孔ZnO纳米片球材料的高灵敏度丙酮气敏元件的制备方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对丙酮传感器存在灵敏度低，重复性差和不稳定等缺点，提供一种对丙酮气体具有响应快速，灵敏度高，操作温度低，同时要求对丙酮气体具有较高的选择性的新型气敏材料及气敏元件的制备方法。

本发明的技术方案是：一种三维多孔ZnO纳米片球气敏材料的制备方法，利用水热法合成三维ZnO纳米片球材料，然后将纳米片球材料在300~600℃下煅烧2 h，得到三维多孔ZnO纳米片球；将多孔ZnO纳米片球在研钵中研磨均匀，然后在400 ~ 700 ℃煅烧1 ~ 5 h，得到三维多孔ZnO纳米片球气敏材料。

所述三维多孔ZnO纳米片球材料的制备方法如下：将物质的量之比1:1的二水氯化锌和尿素溶入到去离子水和无水乙醇的混合溶液中，然后在搅拌的状态下加入聚乙烯吡咯烷酮，聚乙烯吡咯烷酮与二水氯化锌的物质的量之比为1.8~2:1，持续搅拌30~40min，然后将混合溶液转移到高压反应釜中并放入干燥箱升温至180~200℃反应16~20h，反应结束后，待反应釜自然冷却至室温，将沉淀物用去离子水和无水乙醇分别离心洗涤3~5次，置于70℃的真空干燥箱中进行干燥。

所述的去离子水和无水乙醇的混合溶液中去离子水和无水乙醇的体积比为1:3，且每1mmol二水氯化锌和1mmol尿素需要的去离子水的量为10~15ml。

所述三维多孔ZnO纳米片球的厚度为20~30nm。

利用三维多孔ZnO纳米片球气敏材料制备气敏元件的方法，将得到的三维多孔ZnO纳米片球气敏材料在松油醇中研磨0.5~3h后成浆料，然后均匀涂覆在带有叉状金电极的氧化铝陶瓷管表面，在60 ~ 100 ℃烘箱中烘烤0.5 ~ 5 h，将均匀涂过的陶瓷管放入马弗炉中，400 ~700 ℃的条件下煅烧1 ~ 2 h，焊接、分装、老化，得到多孔ZnO纳米片球气敏元件。

本发明的技术方案包括气敏材料与气敏元件制备两步，具体步骤如下：

（1）气敏材料制备：采用300~600℃煅烧三维ZnO前驱物即三维多孔ZnO纳米片球材料2h，得到三维多孔ZnO纳米片球，600℃下煅烧1 h，即制备得三维多孔ZnO纳米片球气敏材料。

（2）气敏元件制备：将所制备的三维多孔ZnO纳米片球气敏材料于松油醇中充分研磨混合成浆料，再均匀涂覆在带有叉状金电极的氧化铝陶瓷管表面，然后空气中500~700℃下煅烧1~2h，接着再按传统旁热式气敏元件的制备方法进行焊接、分装、老化即制成三维多孔ZnO纳米片球气敏元件。

制备的旁热式气敏元件的测试气氛采用静态配气法。气敏元件灵敏度定义为S = Ra/Rg，响应-恢复时间为器件电阻值达到阻值变化最大值90%所需的时间 (Rg为气敏元件在所测气体中的电阻，Ra为气敏元件在空气中的电阻)。