[发明专利]一种基于光合作用机制的气敏膜的制备方法及气体传感器

说明书

本发明提供了一种基于光合作用机制的气敏膜的制备方法及气体传感器，属于气体传感技术领域，所述方法包括以下步骤：(1)将PS I金属氧化物前驱体在水浴条件下搅拌得到PS I金属氧化物前驱体溶液；(2)将金属纳米颗粒前驱体与PS I金属氧化物前驱体溶液混合，水浴条件下搅拌得到混合溶剂；(3)将PS II金属氧化物颗粒分散在混合溶剂中；(4)加入二乙醇胺，搅拌后，滴加氨水调节溶液pH得到稳定均匀的溶胶；(5)将制备得的溶胶在室温下静置陈化；(6)在干燥箱中干燥，研磨至细粉末状，放入马弗炉中进行煅烧得气敏膜。在气敏检测过程中既能有效促进光生电荷的有效分离，又解决了传统异质结构氧化还原能力不足的问题，使光激发电荷获得最充分的利用。

技术领域

本发明涉及气体传感技术领域，具体涉及一种基于光合作用机制的气敏膜的制备方法及气体传感器。

背景技术

在复杂背景中对痕量组份的正确识别和灵敏响应一直是气体传感器研究的热点和难点，在优化现有检测技术的基础上，探索新的气敏机理以及发展可靠易行的检测方法具有重要意义。为了能够精确分析检测环境中的有毒有害气体，人们尝试了几乎所有的分析测试方法包括色谱(GC)、质谱(MS)、毛细管电泳(CE)、色-质谱联用(GC-MS)以及色谱-检测器联用等。然而，这些仪器体积庞大、操作复杂、分析时间长、价格昂贵、需要专业人员值守，难以进行在线自动监测、或针对突发事件进行快速应急响应的需求。因此，亟待发展高灵敏、高选择、便携、低成本的气体传感器。

国内外科研人员很早已开展研究用于各类环境中有毒有害气体检测的传感器，主要包括石英晶体微量天平QCM，声表面波SAW，以及半导体电阻型气体传感器。但是QCM和SAW传感器虽然对待测气体具有很高的灵敏度，但是它们的基线稳定性较差，对外界环境敏感，尤其是气流、温度等因素，待检测的微弱信号在很大程度上可能会被基底信号的波动所掩盖而难以获取。氧化物半导体气体传感器对有毒有害气体的检测试验发现，对其他多种气体都具有较大的敏感特性。但是，为了到达最佳灵敏度需要在加热的条件下进行气敏检测，功耗较大不便于IC集成。

因此，研究人员尝试在室温条件下制备光辅助型半导体气体传感器。①阿根延巴里洛切原子能研究中心的J.Saurazai，见文献Sensors and Actuators B：Chemical，17，1994，211-214在1994年首次发现在紫外光下SnO₂基气体传感器对丙酮有很好的响应，此后各国研究者投入大量工作在ZnO、TiO₂、WO₃等半导体气体敏感材料。为了进一步提高检测灵敏度，黑龙江大学的Deng，Sensors and Actuators B：Chemical，297，2019，126816利用的浸渍法合成多孔的CuO-SnO₂，通过半导体复合构筑异质结构在紫外光辅助下晶界耗尽层产生大量电子-空穴对，降低晶界势垒高度，提高气体探测极限。传统异质结构能够促进光生电荷的有效分离如图1所示，然而，光生电荷转移后，光生电子位于导带电位更正的半导体Ⅱ的导带上，还原能力减弱；相应地，光生空穴迁移至电位更负的半导体I的价带上，氧化能力减弱。这样的话，必然限制异质复合材料的实际应用。半导体材料光生电子-空穴对容易复合及传统异质结构氧化还原能力不足的问题始终没有正面解决。

发明内容

针对上述单一半导体材料光生电子-空穴对容易复合及传统异质结构氧化还原能力不足，使光激发电荷得不到充分利用的缺陷，本发明的目的是提供一种基于光合作用机制的气敏膜的制备方法及气体传感器。

一种基于光合作用机制的气敏膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)将PS I金属氧化物前驱体在水浴条件下搅拌得到PS I金属氧化物前驱体溶液；

(2)将金属纳米颗粒前驱体与步骤(1)中得到的PS I金属氧化物前驱体溶液混合，水浴条件下搅拌得到混合溶剂；

(3)将PS II金属氧化物颗粒分散在步骤(2)得到的混合溶剂中，水浴条件下搅拌后进行超声处理；