[发明专利]一种基于二硫化钼和羟胺的甲醛气敏传感器及其制备方法

说明书

本发明提供一种基于二硫化钼和羟胺的甲醛气敏传感器及其制备方法，甲醛气敏传感器包括：负载吸附羟胺和/或羟胺盐的多孔滤膜、垫片、涂覆二硫化钼纳米片的叉指电极。本发明利用了甲醛的特异性反应，甲醛与羟胺和/或羟胺盐发生肟化反应，生产氯化氢为二硫化钼提供电子空穴，提高了传感器灵敏度，实现了常温下对mg·m^‑3级甲醛的有效检测。

技术领域

本发明属于半导体气敏传感器技术领域，更具体地说，本发明涉及一种基于二硫化钼和羟胺构建的高性能甲醛气敏传感器。

背景技术

人类生产生活与周围环境息息相关，环境中存在的有害气体将对人类的生产生活产生巨大的影响。甲醛是一种用途广泛，生产工艺简单、原料供应充足的大众化工产品，其广泛应用与化学工业、木材加工、纺织产业以及防腐等领域。

甲醛是一种具有较强毒性、无色有刺激性气味的物质，世界卫生组织国际癌症研究机构公布的致癌物清单中，将甲醛放在一类致癌物列表中。其主要危害表现对皮肤粘膜的刺激作用。当甲醛在室内达到一定浓度时，人会感到不适。大于0.08mg·m^-3浓度的甲醛会引起眼睛不适、咽喉疼痛、气喘、胸闷等症状。虽然甲醛具有刺激性气味，但人类对甲醛的嗅觉阈通常是0.06-0.07mg·m^-3，长期低浓度的接触甲醛会引起头痛、乏力、免疫力下降、记忆力减退等症状，甚至会引发癌症等严重疾病。近年来，由甲醛引发的中毒事件很多，造成了极大的生命财产损失，因此对环境中的甲醛浓度进行实时监测，对保护人类的生命健康安全具有重大的意义。

目前已报道了多种甲醛的检测方法，如高效气相色谱-质谱法、极谱法、酚试剂法、荧光分光光度法等。虽然这些方法对甲醛的检测具有很高的灵敏度和选择性，但几乎都需要耗时的样品制备过程和庞大的检测仪器。相比之下，半导体气体传感器无疑是更好的选择，其具有许多独特的优点，包括成本低、操作方便、快速和实时检测预警，以及与互联网连接设备协同工作的移动应用。从经济和环境的角度来看，半导体气体传感器在未来具有更大的潜在商业价值。传统的金属氧化物制备的气敏传感器市场占有率最大，其灵敏度高、稳定性好，但同时工作温度较高(200℃),极大的增加了传感器内部的附属检测单位的抗高温设计的复杂性，并且存在高能耗等缺点，同时高温环境使用会带来一定的安全隐患，因此开发一种能在常温下工作的高性能甲醛气敏传感器刻不容缓。

自2008年二维二硫化钼被合成以来，这种被称作过渡金属二硫化物(TMDs)的二维片状材料因为其优异的的物理、化学性能，成为制备气敏传感器的优选材料。二硫化钼的电子迁移速率大约是100cm²·vs^-1，相比于非晶硅和其他超薄半导体的迁移速度更好。这些优异的电子特性，可以有效降低半导体气敏传感器的使用温度，提高传感器的灵敏度和对目标气体的选择性。

现有技术公开了多种半导体甲醛气敏传感器的制备方法。例如，专利申请CN110412085A公开了一种甲醛气敏传感器的制备方法，气敏材料采用堆叠在一起的三维的花状结构Sn₃O₄纳米片和rGO形成的p-n结构成，但其合成材料的要求过高，且使用温度高达150℃。

专利申请CN108535337A公开了一种基于氧化锡/氧化镓异质结纳米阵列的甲醛气敏传感器。在SnO₂薄膜上生长β-Ga₂O₃纳米柱阵列，对甲醛气体有着优异的灵敏度和稳定性，但其使用温度超过200℃。

专利申请CN107132258A公开了一种室温检测低浓度甲醛的气敏材料及其制备方法。气敏材料为贵金属Pt、Au或Pd纳米颗粒和功能化石墨烯二元复合材料。实现了室温条件下对ug·m^-3级的甲醛气体的检测。但该方法存在合成材料的价格过高、难以实现低成本制备的问题。

综上，现有的甲醛气敏传感器存在着工作温度高，生产成本高等问题，因此，开发一种工艺步骤简单，灵敏度高，且能在室温下使用的甲醛传感器极具应用前景和市场价值。