[发明专利]ZnO/ZnFe2O4复合敏感材料、制备方法及在丙酮气体传感器中的应用

说明书

技术领域

本发明属于金属氧化物气体传感器技术领域，具体涉及ZnO/ZnFe₂O₄复合敏感材料、制备方法及在丙酮气体传感器中的应用。

背景技术

随着敏感材料的不断推陈出新，各种气体敏感材料被先后开发出来。在众多气体敏感材料中，由于金属氧化物半导体具有灵敏度高、制备成本低、无毒环保、易于集成等优点，被认为是一种最有应用前景的气敏材料。因此，近些年来，金属氧化物受到了广泛的关注并得到了大力的发展。根据多数载流子的种类，金属氧化物半导体可以分为n型敏感材料(如In₂O₃、SnO₂、ZnO、Fe₂O₃、WO₃等)和p型敏感材料(如NiO、Co₃O₄、CuO等)。虽然基于上述金属氧化物的气体传感器获得了一些应用，但是由于其自身有限的物理化学性质，依靠这些单一组分的金属氧化物半导体很难获得气敏特性的进一步提高。在这种情况下，将敏感材料从单一组分的金属氧化物扩展到多组分的异质结构显得尤为重要。由于其可调的化学组成和不同成分之间的协同作用,异质结构往往能够表现出更出色的气体敏感特性。

特别地，氧化锌(ZnO)作为一种典型的n型氧化物半导体敏感材料被广泛应用于检测CO、NH₃、NOx和各种有毒有害的挥发性气体中。然而，正是因为ZnO对很多气体都比较敏感，所以ZnO的选择性较差，很难准确地区分不同种类的气体。近年来，有报道称尖晶石型三元金属氧化物铁酸锌(ZnFe₂O₄)对一些特定气体能够表现出非常好的选择性和敏感性。如果能将ZnO和ZnFe₂O₄结合在一起，或许能够改善ZnO对待测气体的选择性。为了验证实现上述猜想，首先需要完成的是制备均一的ZnO/ZnFe₂O₄异质结构。

目前，异质结构的制备方法有很多，主要有溶胶凝胶法、化学气相沉积法(CVD)、超声喷雾法、水/溶剂热法和静电纺丝法等。然而，上述这些合成方法在实际应用中都存在很多严重的不足，例如，繁琐的操作程序、冗长的反应过程、大量的能源消耗和苛刻的实验条件。这些不足极大地制约着它们的应用和发展。因此，为了探索材料结构与气敏特性之间的关系，寻找一种简单有效的异质结构的制备方法仍然具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种能用于丙酮气体传感器中的复合敏感材料ZnO/ZnFe₂O₄。

本发明所述的ZnO/ZnFe₂O₄复合敏感材料，是一种由ZnO中空微球和在其表面生长的ZnFe₂O₄纳米片构成的异质结构；ZnO中空微球的外径为2～4μm，内径为1～2.5μm；单个ZnFe₂O₄纳米片的厚度为8～15nm，在ZnO中空微球表面生长的ZnFe₂O₄纳米片层的厚度为80～150nm。

本发明首先以醋酸锌、柠檬酸三钠和氨水作为原料，利用微波辅助合成法在30～40min内成功地制备了ZnO中空微球；然后在室温下，将ZnFe₂O₄纳米片生长到ZnO中空微球的表面形成ZnO/ZnFe₂O₄复合敏感材料；最后，利用上述ZnO/ZnFe₂O₄复合敏感材料构筑丙酮气体传感器。本发明所述的ZnO/ZnFe₂O₄复合敏感材料的具体制备方法如下：

1.ZnO中空微球的制备

①依次称取0.8～1.2g二水合醋酸锌(Zn(CH₃COO)₂·2H₂O)和0.03～0.08g二水合柠檬酸三钠(Na₃C₆H₅O₇·2H₂O)加入到150～220mL去离子水中，搅拌使溶解完全，形成澄清透明溶液，然后量取4～6mL氨水(30wt％)加入到上述溶液中，搅拌5～10min；