CN102328901A - 一种金颗粒修饰的氧化锌纳米阵列复合体系的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种金颗粒修饰的氧化锌纳米阵列复合体系的制备方法，以制备ZnO纳米溶胶为基础，通过提拉成膜和热处理，在氧化铝陶瓷管或硅衬底上原位形成ZnO纳米颗粒膜，然后以此纳米颗粒膜为籽晶，在溶液中外延生长ZnO纳米棒，再通过真空蒸镀方法获得纳米尺度金颗粒修饰的ZnO纳米阵列。本发明的优点是：1）与通常溅射法相比，该方法工艺简单、成本低廉，无需特定的修饰工艺，成本低；2）该材料用于液化石油气传感单元的制备，对液化石油气的检测范围较宽，并可在低于传统传感器工作温度下表现出良好的灵敏度和选择性，特别有利于基于ZnO纳米材料的气体传感阵列的设计，用于液化石油气浓度监测。
Description
技术领域
本发明属于气体传感材料的制备，特别是一种金颗粒修饰的氧化锌纳米阵列复合体系的制备方法。
背景技术
氧化锌是一种重要的宽带隙化合物半导体，在化学传感器、压电、光催化、光电转换、蓝绿发光二极管和激光器等领域具有重要的应用价值。一维纳米材料，包括纳米线、纳米棒和纳米管，由于具有比薄膜更大的比表面积，在气体传感器中得到了广泛的应用。但对于液化石油气，目前高性能气体传感器仍未达到满意的灵敏度和选择性，普遍存在工作温度高，响应时间长，灵敏度较低等问题。本专利所使用的金纳米颗粒敏化法高性能的ZnO纳米阵列LPG传感单元，可能实现低温或室温下工作。
发明内容
本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种金颗粒修饰的氧化锌纳米阵列复合体系的制备方法，该方法工艺简单、成本低，传感单元对液化石油气的检测范围较宽，并可在低于传统传感器工作温度下表现出良好的灵敏度和选择性。
本发明的技术方案：
一种金颗粒修饰的氧化锌纳米阵列复合体系的制备方法，以制备ZnO纳米溶胶为基础，通过提拉成膜和热处理，在氧化铝陶瓷管或硅衬底上原位形成ZnO纳米颗粒膜，然后以此纳米颗粒膜为籽晶，在溶液中外延生长ZnO纳米棒，再通过真空蒸镀方法获得纳米尺度金颗粒修饰的ZnO纳米阵列，步骤如下：
1）将醋酸锌与无水乙醇混合，在70-95℃温度下进行预水解，再与水合氢氧化锂进行水解反应，经磁力搅拌1-2小时后，得到氧化锌溶胶；
2）通过提拉成膜将ZnO溶胶原位生长于氧化铝陶瓷管或硅衬底上，在300-400℃温度下热处理0.5-2小时，获得ZnO纳米晶种膜；
3）将上述ZnO纳米颗粒膜放入生长液中在80-100℃的温度下原位反应2-3小时，生长后的样品用蒸馏水冲洗以除去吸附的多余离子和盐, 烘干后获得ZnO纳米棒阵列；
4）采用真空蒸镀法将金覆盖在上述ZnO纳米棒阵列表面，蒸镀电流为5-20mA，然后在温度为300-600℃条件下进行热处理0.5-3小时以在其表面形成金纳米颗粒，即可制得金颗粒修饰的氧化锌纳米阵列复合体系。
所述醋酸锌与无水乙醇的用量比为0.05-0.15mol/L；水合氢氧化锂与醋酸锌的质量比为1:2.5-4.5。
所述生长液为硝酸锌和六次甲基四胺以等摩尔比混合的水溶液，其中硝酸锌在水溶液中的浓度为0. 01-0. 05mol/L。
本发明的工作原理是：ZnO纳米阵列的高比表面效应、Au纳米颗粒的高催化效应以及二者结合的耦合作用。
本发明的优点是：1）与通常溅射法相比，该方法工艺简单、成本低廉，无需特定的修饰工艺，成本低；2）该材料用于液化石油气传感单元的制备，对液化石油气的检测范围较宽，并可在低于传统传感器工作温度下表现出良好的灵敏度和选择性，特别有利于基于ZnO纳米材料的气体传感阵列的设计，用于液化石油气浓度监测。
【附图说明】
图 1 为金颗粒修饰的氧化锌纳米阵列复合体系形貌SEM照片。
图2为不同LPG浓度下氧化锌和金颗粒修饰的氧化锌纳米阵列复合体系LPG传感器的灵敏度曲线。
【具体实施方式】
实施例：
一种金颗粒修饰的氧化锌纳米阵列复合体系的制备方法，以制备ZnO纳米溶胶为基础，通过提拉成膜和热处理，在氧化铝陶瓷管或硅衬底上原位形成ZnO纳米颗粒膜，然后以此纳米颗粒膜为籽晶，在溶液中外延生长ZnO纳米棒，再通过真空蒸镀方法获得纳米尺度金颗粒修饰的ZnO纳米阵列，步骤如下：
1）将5.49g醋酸锌Zn(CH3COO)2·2H2O与250 ml无水乙醇混合，在90℃温度下恒温加热回流预水解成Zn10O4(Ac)12，加入1.5g水合氢氧化锂继续进行水解反应，经磁力搅拌2小时后，得到无色澄清的氧化锌溶胶；
2）将氧化铝陶瓷管放入ZnO溶胶中，通过提拉成膜将ZnO溶胶原位生长于氧化铝陶瓷管上，采用提拉法在氧化铝陶瓷管上形成一层均匀ZnO胶体膜，然后将陶瓷管放入马弗炉中320 ℃热处理30 min得到ZnO纳米晶种膜；
3）称取2.23 g硝酸锌Zn(NO3)2·6H2O和1.05 g六次甲基四胺C6H12N4置于烧杯中，然后用容量瓶量取250 mL去离子水加入烧杯，超声使其溶解，配制成浓度为0.03 mol/L生长液，将表面形成了一层均匀ZnO纳米晶种膜的氧化铝陶瓷管浸入混合溶液中，90 ℃恒温水浴生长3 h，使ZnO种子膜自催化外延生长ZnO纳米棒阵列；
4）采用真空蒸镀法用高纯金片在ZnO纳米棒阵列表面均匀地蒸镀上一层均匀膜，蒸镀电流为15mA，然后将得到的样品放入马弗炉中500 ℃温度下热处理1 h以在其表面形成金纳米颗粒，即可制得金颗粒修饰的氧化锌纳米阵列复合体系。
图1为金颗粒修饰的氧化锌纳米阵列复合体系形貌SEM照片。图中显示：ZnO纳米棒大小一致，金纳米颗粒均匀的分布在ZnO纳米棒表面，颗粒大小约为11nm。
图2为不同LPG浓度下氧化锌和金颗粒修饰的氧化锌纳米阵列复合体系LPG传感器的灵敏度曲线。从图中可知，工作温度为340℃时，两种传感器的灵敏度随着气体浓度增大而增大，但值得注意的是Au纳米颗粒修饰ZnO线阵列LPG传感器的灵敏度总是高于纯ZnO纳米阵列，气敏性能得到明显提高。
Claims (3)
1.一种金颗粒修饰的氧化锌纳米阵列复合体系的制备方法，其特征在于：以制备ZnO纳米溶胶为基础，通过提拉成膜和热处理，在氧化铝陶瓷管或硅衬底上原位形成ZnO纳米颗粒膜，然后以此纳米颗粒膜为籽晶，在溶液中外延生长ZnO纳米棒，再通过真空蒸镀方法获得纳米尺度金颗粒修饰的ZnO纳米阵列，步骤如下：
1）将醋酸锌与无水乙醇混合，在70-95℃温度下进行预水解，再与水合氢氧化锂进行水解反应，经磁力搅拌1-2小时后，得到氧化锌溶胶；
2）通过提拉成膜将ZnO溶胶原位生长于氧化铝陶瓷管或硅衬底上，在300-400℃温度下热处理0.5-2小时，获得ZnO纳米晶种膜；
3）将上述ZnO纳米颗粒膜放入生长液中在80-100℃的温度下原位反应2-3小时，生长后的样品用蒸馏水冲洗以除去吸附的多余离子和盐, 烘干后获得ZnO纳米棒阵列；
4）采用真空蒸镀法将金覆盖在上述ZnO纳米棒阵列表面，蒸镀电流为5-20mA，然后在温度为300-600℃条件下进行热处理0.5-3小时以在其表面形成金纳米颗粒，即可制得金颗粒修饰的氧化锌纳米阵列复合体系。
2.根据权利要求1所述金颗粒修饰的氧化锌纳米阵列复合体系的制备方法，其特征在于：所述醋酸锌与无水乙醇的用量比为0.05-0.15mol/L；水合氢氧化锂与醋酸锌的质量比为1:2.5-4.5。
3.根据权利要求1所述金颗粒修饰的氧化锌纳米阵列复合体系的制备方法，其特征在于：所述生长液为硝酸锌和六次甲基四胺以等摩尔比混合的水溶液，其中硝酸锌在水溶液中的浓度为0. 01-0. 05mol/L。
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