CN110940707A - 一种超敏感乙醇气体传感器用ZnO-In2O3纳米复合材料的制备方法 - Google Patents

一种超敏感乙醇气体传感器用ZnO-In2O3纳米复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超敏感乙醇气体传感器用ZnO‑In2O3纳米复合材料的制备方法，本发明将Zn(NO3)2、In(NO3)2和十二烷基硫酸钠、尿素溶于去离子水中，搅拌并装入反应釜，进行水热反应，水热反应后的产物分离、洗涤、烘干；将烘干后的水热产物置于马弗炉中高温热处理再结晶，最终获得所需的ZnO‑In2O3纳米复合材料，本发明对乙醇蒸汽具有良好的选择探测性，且探测重复性和稳定性良好，非常具有实际应用价值，本发明对低浓度乙醇蒸汽具有超快的响应和恢复探测特性；在较大的工作温度范围内具有超敏感的探测特性。

Description

一种超敏感乙醇气体传感器用ZnO-In2O3纳米复合材料的制备 方法
技术领域
本发明是关于半导体气体敏感材料的，尤其涉及一种用于乙醇气体检测的超敏感金属氧化物ZnO-In2O3纳米复合材料
背景技术
半导体气体传感器是以半导体气敏材料作为敏感材料的气体传感器，是最常见的气体传感器，广泛应用于家庭和工厂等的易燃易爆、有毒有害气体检测，其中金属氧化物是应用最为广泛的半导体气敏材料。探索高性能的气体敏感材料，进而制备稳定工作的气体传感器对于实现乙醇蒸汽等有害气体的原位、实时检测具有重要意义。
ZnO由于成本低、制备方法简单、探测气体灵敏度较高经常被用于气体敏感材料，但是ZnO探测气体的选择性较差等也限制了其应用。金属氧化物复合材料可以改善单一材料的气体敏感选择性，多孔性纳米材料可以提供较大的比表面积和高孔隙率，有利于气体分子在敏感材料表面的充分接触、扩散和脱离。对此，基于本课题组已有的研究基础和对国内外研究现状的分析，本发明采用水热法首次制备了具备超敏感乙醇气体探测特性的多孔纳米花状ZnO-In2O3复合材料。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，制备一种ZnO-In2O3金属氧化物多孔纳米复合材料，该复合材料对低浓度乙醇气体具有超敏感的快速响应和良好的选择性探测。
一种超敏感乙醇气体传感器用ZnO-In2O3纳米复合材料的制备方法，具体步骤如下：
1)将Zn(NO3)2、In(NO3)2和十二烷基硫酸钠、尿素溶于去离子水中，搅拌后，装入反应釜；其中Zn(NO3)2、In(NO3)2的质量比为5：2－5：5；
2)将反应釜置于烘箱中，水热反应6-8h，水热反应的温度为140-200℃；
3)将水热反应后的产物分离、洗涤、烘干；
4)将烘干后的水热产物置于马弗炉中高温热处理再结晶，最终获得所需的ZnO-In2O3纳米复合材料，其中高温热处理的温度为500-600℃，热处理时间为2-4h。
作为优选，步骤(2)中水热反应的温度为150-160℃。
作为优选，步骤(4)中烘干后的水热反应产物热处理的温度为550-600℃，热处理时间为3－4h。
本发明相对现有技术的有益效果：
1)本发明中制备的ZnO-In2O3纳米复合材料对乙醇蒸汽具有良好的选择探测性；
2)本发明中制备的ZnO-In2O3纳米复合材料对低浓度乙醇蒸汽具有超快的响应和恢复探测特性；
3)本发明中制备的ZnO-In2O3纳米复合材料在较大的工作温度范围内具有超敏感的探测特性；
4)本发明中制备的ZnO-In2O3纳米复合材料对乙醇蒸汽的探测重复性和稳定性良好，非常具有实际应用价值。
附图说明
图1实施例1制得的ZnO-In2O3纳米复合材料表面形貌图；
图2实施例1制得的ZnO-In2O3纳米复合材料350℃下对3ppm不同有机挥发性气体的探测灵敏度比较；
图3实施例1制得的ZnO-In2O3纳米复合材料350℃下对不同浓度乙醇蒸汽的动态响应/恢复曲线；
图4实施例1制得的ZnO-In2O3纳米复合材料在不同温度下对3ppm乙醇蒸汽的灵敏度；
图5实施例1制得的ZnO-In2O3纳米复合材料350℃下对5ppm乙醇蒸汽的重复性测试曲线；
图6实施例2制得的ZnO-In2O3纳米复合材料350℃下对不同浓度乙醇蒸汽的动态响应/恢复曲线。
具体实施方式
实施例1
1)将0.37g Zn(NO3)2、0.23g In(NO3)2、0.17g十二烷基硫酸钠、0.48g尿素溶于40ml去离子水中，搅拌60min，装入反应釜；
2)将反应釜置于烘箱中，150℃水热反应6h；
3)冷却后，将水热反应后的产物离心分离，并依次用无水乙醇、去离子水洗涤三次，分离后的产物于80℃烘干12h；
4)将烘干后的水热产物置于马弗炉中，550℃热处理2h，最终获得所需的 ZnO-In2O3纳米复合材料。
实施例1中制得的ZnO-In2O3纳米复合材料表面形貌如图1所示，从微观结构可以看出该材料为多孔纳米片，纳米片之间交叉互连构成三维纳米花结构，使其具有高比表面积，同时其多孔结构为其增加孔隙率，有利于表面气体吸附和脱附，获得良好的气体敏感特性。
实施例1中制得的ZnO-In2O3纳米复合材料350℃下对3ppm有机挥发性气体的灵敏度比较如图2所示，该复合材料对乙醇蒸汽具有良好的选择性。
实施例1中制得的ZnO-In2O3纳米复合材料350℃下对不同浓度乙醇蒸汽的响应/恢复曲线如图3所示，该材料遇到乙醇蒸汽电阻值迅速下降，并很快电阻值达到稳定，可见响应非常迅速，探测不同浓度乙醇蒸汽的响应时间均在3s以内；去除乙醇蒸汽后，其电阻值快速恢复到初始值，探测不同浓度乙醇蒸汽后恢复时间均在20s以内。
实施例1制得的ZnO-In2O3纳米复合材料在不同温度下对3ppm乙醇蒸汽的灵敏度如图4所示，在工作温度200－350℃区间内，该复合材料对乙醇蒸汽都具有超敏感探测特性。240℃下该材料遇到乙醇蒸汽电阻值迅速下降，并很快达到稳定，探测不同浓度乙醇蒸汽的响应时间均在8s左右；去除乙醇蒸汽后，其电阻值快速恢复到初始值，探测不同浓度乙醇蒸汽后恢复时间均在50-70s之间。
实施例1制得的ZnO-In2O3纳米复合材料350℃下对5ppm乙醇蒸汽的重复性测试曲线如图5所示，该材料探测乙醇蒸汽的重复性良好，且具有良好的稳定性，非常具有实际应用价值。
实施例2
1)将0.33g Zn(NO3)2、0.27g In(NO3)2、0.17g十二烷基硫酸钠、0.48g尿素溶于40ml去离子水中，搅拌60min，装入反应釜；步骤2)中将反应釜置于烘箱中， 180℃水热反应8h。
3)冷却后，将水热反应后的产物离心分离，并依次用无水乙醇、去离子水洗涤三次，分离后的产物于80℃烘干12h；
4)将烘干后的水热产物置于马弗炉中，500℃热处理4h，最终获得所需的ZnO-In2O3纳米复合材料。
实施例2制得的ZnO-In2O3纳米复合材料350℃下对不同浓度乙醇蒸汽的动态响应/恢复曲线如图6所示，气体特性与实施例1的类似。
实施例3
步骤1)将0.675g Zn(NO3)2、0.27g In(NO3)2、0.17g十二烷基硫酸钠、0.48g 尿素溶于40ml去离子水中，搅拌60min，步骤2)中将反应釜置于烘箱中，200℃水热反应7h；步骤3)冷却后，将水热反应后的产物离心分离，并依次用无水乙醇、去离子水洗涤三次，分离后的产物于80℃烘干12h；步骤4)中将烘干后的水热产物置于马弗炉中，600℃热处理3h。
本发明采用静态配气法测量ZnO-In2O3纳米复合材料的气体敏感特性，灵敏度定义为
Figure BDA0002279817990000041
其中，Rs表示气体传感器在一定浓度待检测气体中的电阻值，R0表示气体传感器在背景气体中的电阻值。

Claims (3)

1.一种超敏感乙醇气体传感器用ZnO-In2O3纳米复合材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
1)将Zn(NO3)2、In(NO3)2和十二烷基硫酸钠、尿素溶于去离子水中，搅拌后，装入反应釜；其中Zn(NO3)2、In(NO3)2的质量比为5：2－5：5；
2)将反应釜置于烘箱中，水热反应6-8h，水热反应的温度为140-200℃；
3)将水热反应后的产物分离、洗涤、烘干；
4)将烘干后的水热产物置于马弗炉中高温热处理再结晶，最终获得所需的ZnO-In2O3纳米复合材料，其中高温热处理的温度为500-600℃，热处理时间为2-4h。
2.根据权利要求1所述的一种超敏感乙醇气体传感器用ZnO-In2O3纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中水热反应的温度为150-160℃。
3.根据权利要求1所述的一种超敏感乙醇气体传感器用ZnO-In2O3纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中烘干后的水热反应产物热处理的温度为550-600℃，热处理时间为3－4h。
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