[发明专利]一种基于CNTs@α-Fe2O3异质结复合材料的丙酮气体传感器及其制备方法

说明书

一种基于CNTs@a‑Fe₂O₃异质结复合材料的丙酮气体传感器及其制备方法，属于气体传感器技术领域。由外表面带有2个彼此平行且分立的环状金电极的绝缘氧化铝陶瓷管衬底、涂覆在绝缘氧化铝陶瓷管衬底外表面和金电极上的半导体金属氧化物气体敏感材料和置于绝缘陶瓷管内的镍铬合金加热线圈组成，每个金电极上均带有铂丝导线；敏感材料为CNTs和α‑Fe₂O₃纳米棒复合的异质结分等级结构纳米材料。本发明所述传感器具有结构简单、价格低廉、体积较小、结实耐用和大批量生产的优点，并且气敏特性的测试结果表明该传感器可对低浓度丙酮进行检测并且具有极佳的长期稳定性，使得其对工业生产中丙酮泄露的检测和报警方面及医疗检测方面有着重要的应用前景。

技术领域

本发明属于氧化物半导体气体传感器技术领域，具体涉及一种基于 CNTs@α-Fe₂O₃异质结分等级结构复合材料的丙酮气体传感器及其制备方法。

背景技术

随着人们对环境污染和工业排放的关注，对有毒有害气体的实时监测得到了极大的重视。其中，半导体氧化物式气体传感器以其优异的性能且方便制造得到了广泛的关注。过去几十年，尽管对于金属氧化物的半导体式气敏特性的研究取得了丰硕的成果，高性能，高选择性的，小尺寸的器件的研究仍是未来的一个挑战。氧化物半导体气体传感器的敏感机理主要是半导体对氧气和目标气体的吸附和它们之间的相互反应引起的半导体电导的变化。因此，材料的形貌、微观结构和晶体尺寸对气敏特性起着十分重要的作用。对于有独特结构和形貌的敏感材料的设计成为了研究人员的主要目标。最近，诸多研究表明相比单一氧化物由不同化学组分构成的异质结氧化物半导体表现出了优异的性能。

碳纳米管(Carbon Nanotubes,CNTs)以其优异的物理、化学、电学和机械性能一经发现便引起了科研人员的极大兴趣。过去二十年，人们为探索CNTs的应用潜力付诸了巨大的努力。当CNTs的表面吸附不同的气体分子时会引起其电学性质的改变，这也是CNTs作为气体敏感材料的基础。然而，用CNTs作为敏感材料还面临着一些不足，例如对一些气体的吸附能比较低，缺乏选择性，恢复时间长。随着研究的深入，人们发现CNTs的表面缺陷以及残留污染物对其气敏性质有着很大的影响。因此，用不同物质对CNTs进行功能化被认为是改变其化学性质增强其气敏特性的有效手段。尽管贵金属修饰的CNTs表现处优异的敏感特性，由于使用了贵金属本身的催化选择性导致了高昂的成本及有限的监测范围。此外，CNTs和氧化物之间被认为具有协同效应，用氧化物半导体修饰碳纳米管可以提高气体传感器的性能。目前，通过不同途径合成多种CNT基二元材料已经取得了很大进展。例如，Chen等制作的SnO₂分散在CNTs表面的混成材料在室温下对NO₂，CO和H₂在低浓度下表现出了很好的响应。Asad等报道了 CuO-SWCNT复合纳米线材料在室温下可以检测浓度低至100ppb的H₂S气体。

发明内容

本发明旨在通过构筑基于CNTs@α-Fe₂O₃异质结分等级结构复合材料，利用 CNTs的大比表面积、纵向导电性，来改变复合材料形貌、晶粒尺寸、提高载流子浓度及形成势垒等，从而克服单一金属氧化物灵敏度低、选择性差的缺点，实现对低浓度丙酮气体的检测。