[发明专利]氧化铜掺杂的二氧化锡基硫化氢气敏材料及制备和应用

说明书

技术领域

本发明属于金属氧化物半导体传感器材料制备工艺技术领域，属于掺杂型金属氧化物半导体，有利于提高性能。

背景技术

二氧化锡是研究最早的半导体气体传感器材料之一。因其具有良好的电导率、晶体结构和适用性等优点，使其在半导体气体传感器领域，一直是研究和应用的热点。而作为一种好的气敏材料应该具有灵敏度高，选择性强，气敏工作温度低，结构简单，成本低，稳定性好等优点。鉴于纯二氧化锡气敏材料在响应性和选择性上的劣势，掺杂合适的添加剂对其气敏元件的气敏性能的改善很有必要。所以为了提高二氧化锡基气敏传感器的性能，氧化物半导体气敏传感器材料在大多数情况掺有贵金属催化剂，如铂（Pt），钯（Pd）和金（Au）等。但是贵金属不仅昂贵而且严重污染环境，所以本发明选择使用廉价的铜盐作为掺杂物，经过一步水热反应，能够实现氧化铜掺杂二氧化锡的制备，气敏结果显示本发明同样能够获得性能加强的硫化氢气敏传感器。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发提供一种氧化铜掺杂的二氧化锡硫化氢气敏材料及制备和应用。

一种氧化铜掺杂的二氧化锡硫化氢气敏材料的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：

（1）称取表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮，k=30，1.0克和二水合草酸3.5克，溶于30毫升去离子水中，磁力搅拌至完全溶解；

（2）称取氯化铜和二水合氯化亚锡，质量比为1%～10%，溶于步骤（1）中澄清溶液，磁力搅拌至完全溶解；

（3）将上述步骤（2）的溶液倒入50毫升的水热反应釜中，水热反应温度为200℃，水热反应时间12小时；

（4）待反应结束后，离心分离（3）中的沉淀，获得产物，并用无水乙醇洗涤数次；最后用恒温鼓风干燥机干燥产物。

所述气敏材料的平均粒径在500nm以内，形貌为“橄榄形”的氧化铜掺杂的二氧化锡。

步骤（3）中的水热釜的填充率为60%。

一种氧化铜掺杂的二氧化锡硫化氢气敏材料，其特征在于，根据上述任一所述方法制备得到。

所述的氧化铜掺杂的二氧化锡硫化氢气敏材料在制备硫化氢气敏传感器中应用。

本发明的优点：

1、由于技术和工艺的限制，普通商业用硫化氢气敏传感器的市场价格在几元到上百元不等，远高于乙醇、氨气和水汽的气敏传感器。本实验通过一步水热的制备方案，得到氧化铜掺杂的二氧化锡气敏材料，工艺简单易行，并且原料丰富，成本低廉，仅通过控制二水合氯化亚锡和氯化铜的质量比，就可以得到对硫化氢具有良好选择性和响应度的氧化铜掺杂二氧化锡的气敏材料。

2、普通商业用硫化氢气敏传感器一般对硫化氢响应浓度≥5ppm，且使用过程中受到诸多因素的限制。本实验制备出的氧化铜掺杂的二氧化锡纳米颗粒，气敏试验中对硫化氢具有非常好的响应和选择性，最低响应浓度为2ppm且对其他气体响应性很差，表现出了非常好的选择性。

3、本实验可重复性良好，可适用于大规模生产，最大程度保障暴露在硫化氢氛围中的人员安全。工艺简单，克服了传统贵金属掺杂成本高昂污染环境等问题。本发明制备的半导体气敏材料可适用于制造硫化氢气敏传感器。

附图说明

图1为实施例1制得氧化铜掺杂的二氧化锡纳米颗粒的X射线衍射谱图。

图2为实施例1制得氧化铜掺杂的二氧化锡纳米颗粒的扫描电子显微镜图（5万倍）。

图3为实施例1制得氧化铜掺杂的二氧化锡气敏传感器在240℃下对1-15ppm硫化氢响应灵敏度。

图4为实施例1制得氧化铜掺杂的二氧化锡纳米颗粒在最佳响应温度240℃下对10ppm的不同气体的灵敏度。

具体实施方式

实施例1：

（1）称取表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮(k=30)1.0克和二水合草酸3.5克加入50ml烧杯，用量筒量取30毫升去离子水加入烧杯作为溶剂，将烧杯放在磁力搅拌器上磁力搅拌至完全溶解；

（2）称取0.226g二水合氯化亚锡和0.0068g氯化铜，溶于（1）中澄清溶液，磁力搅拌器上磁力搅拌至再次完全溶解；

（3）将上述步骤（2）的溶液倒入50毫升的水热反应釜中，放入恒温水热箱中，设定水热反应温度为200℃，水热恒温反应时间12小时；反应完成之后的水热釜在恒温水热箱中自然冷却；

（4）离心机离心分离（3）中的沉淀，10ml塑料离心管底部获得粉末状的产物。离心管中倒入无水乙醇，超声洗涤产物数次；洗净的产物最后用恒温鼓风干燥机在60℃干燥产物直至酒精完全挥发；