[发明专利]一种基于ZnO纳米敏感材料的2-丁酮传感器及其制备方法

说明书

本发明涉及一种基于ZnO纳米敏感材料的2‑丁酮传感器及其制备方法，属于半导体氧化物气体传感器技术领域。由外表面带有两条平行、环状且彼此分立的金电极的Al₂O₃陶瓷管衬底、涂覆在Al₂O₃陶瓷管外表面和金电极上的APTES功能化的ZnO纳米敏感材料、置于Al₂O₃陶瓷管内的镍镉加热线圈组成；选择2‑甲基咪唑锌盐作为自牺牲模板，通过高温煅烧获得多孔ZnO纳米材料，在ZnO纳米材料表面修饰3‑氨基丙基三乙氧基硅烷，增加了2‑丁酮和敏感材料之间的相互作用，使得传感器对2‑丁酮的响应显着提高。本发明器件结构新颖，体积小，适于大批量生产，基于APTES功能化的ZnO纳米材料的传感器具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于半导体氧化物气体传感器技术领域，具体涉及一种基于ZnO纳米敏感材料的2-丁酮传感器及其制备方法。

背景技术

科学技术的发展使人们的生活更加便利。与此同时，一些有毒的挥发性有机化合物(VOCs)也随之产生，严重威胁着我们生活和工作的环境安全。2-丁酮是一种具有轻微刺激性气味的无色挥发性有机化合物，已广泛应用于塑料、涂料、医药、纺织、食品、人造革、化妆品、电子产品等生活领域。短期吸入或接触2-丁酮会刺激人体的眼睛、鼻子和呼吸系统，过量接触2-丁酮会抑制中枢系统，导致昏迷和死亡。因此，开发一种制作简单、成本低廉、能够快速检测2-丁酮的传感器，是确保环境安全、避免潜在危害的重要举措。

金属氧化物半导体气体传感器具有成本低、制备简单、灵敏度高、响应/恢复快等优点，在工业、农业、环保、医疗等领域发挥着重要作用。ZnO作为一种重要且常见的N型金属氧化物半导体，在半导体型气体传感器市场中占有较高的份额。目前，研究人员已经成功合成了多种纳米结构的ZnO，如纳米线、纳米棒、纳米环、纳米片及三维分层结构等，用于有毒有害气体的检测。尽管如此，现有的ZnO基气体传感器仍不能实现低浓度、特别是ppm级以下2-丁酮的高灵敏度和高选择性检测。近年来，研究人员发现在半导体氧化物表面修饰有机单分子层是构建高效传感器的工具，但目前该方法针对的目标气体仅限于NH₃和NO₂，经检索2-丁酮的靶向检测未见报道，因此，利用有机单分子层修饰来提升ZnO基气体传感器的性能具有重要的科学和实践意义。

发明内容

本发明提供一种基于ZnO纳米敏感材料的2-丁酮传感器及其制备方法，以解决现有的ZnO基气体传感器不能实现低浓度2-丁酮高灵敏度和高选择性检测的问题。

本发明采取的技术方案是，由外表面带有两条平行、环状且彼此分立的金电极的Al₂O₃陶瓷管衬底、涂覆在Al₂O₃陶瓷管外表面和金电极上的纳米敏感材料、置于Al₂O₃陶瓷管内的镍镉加热线圈组成；所述纳米敏感材料为3-氨基丙基三乙氧基硅烷APTES修饰的ZnO纳米材料，其制备步骤如下：

⑴将3～5mmol硝酸锌加入到30～40mL乙醇中，搅拌均匀，即为溶液A；

⑵将15～16mmol 2-甲基咪唑加入到30～40mL乙醇中，搅拌均匀，形成溶液B；

⑶将溶液B倒入溶液A中，继续搅并陈化；

⑷将步骤⑶产物离心、洗涤，干燥，获得2-甲基咪唑锌盐ZIF-8样品；

⑸将步骤⑷获得的ZIF-8样品在500～600℃下烧结，获得ZnO纳米材料；

⑹将步骤⑸获得的ZnO样品加入到含有APTES的乙醇溶液中，搅拌5～6h后，用乙醇洗涤，在70～90℃条件下干燥，获得APTES修饰的ZnO敏感纳米材料。

本发明所述步骤(3)中搅拌时间20～30分钟，陈化时间22～24小时。