[發明專利]一種基于CNTs@α-Fe2O3異質結復合材料的丙酮氣體傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 201611047227.7
• 申請日: 2016-11-25
• 公開（公告）號: CN106770493B
• 公開（公告）日: 2019-02-22
• 發明（設計）人: 孫鵬;代明軍;劉鳳敏;高原;周鑫;盧革宇
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01N27/12
• 分類號: G01N27/12
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 劉世純;王恩遠

一種基于CNTs@a?Fe₂O₃異質結復合材料的丙酮氣體傳感器及其制備方法，屬于氣體傳感器技術領域。由外表面帶有2個彼此平行且分立的環狀金電極的絕緣氧化鋁陶瓷管襯底、涂覆在絕緣氧化鋁陶瓷管襯底外表面和金電極上的半導體金屬氧化物氣體敏感材料和置于絕緣陶瓷管內的鎳鉻合金加熱線圈組成，每個金電極上均帶有鉑絲導線；敏感材料為CNTs和α?Fe₂O₃納米棒復合的異質結分等級結構納米材料。本發明所述傳感器具有結構簡單、價格低廉、體積較小、結實耐用和大批量生產的優點，并且氣敏特性的測試結果表明該傳感器可對低濃度丙酮進行檢測并且具有極佳的長期穩定性，使得其對工業生產中丙酮泄露的檢測和報警方面及醫療檢測方面有著重要的應用前景。

技術領域

本發明屬于氧化物半導體氣體傳感器技術領域，具體涉及一種基于 CNTs@α-Fe₂O₃異質結分等級結構復合材料的丙酮氣體傳感器及其制備方法。

背景技術

隨著人們對環境污染和工業排放的關注，對有毒有害氣體的實時監測得到了極大的重視。其中，半導體氧化物式氣體傳感器以其優異的性能且方便制造得到了廣泛的關注。過去幾十年，盡管對于金屬氧化物的半導體式氣敏特性的研究取得了豐碩的成果，高性能，高選擇性的，小尺寸的器件的研究仍是未來的一個挑戰。氧化物半導體氣體傳感器的敏感機理主要是半導體對氧氣和目標氣體的吸附和它們之間的相互反應引起的半導體電導的變化。因此，材料的形貌、微觀結構和晶體尺寸對氣敏特性起著十分重要的作用。對于有獨特結構和形貌的敏感材料的設計成為了研究人員的主要目標。最近，諸多研究表明相比單一氧化物由不同化學組分構成的異質結氧化物半導體表現出了優異的性能。

碳納米管(Carbon Nanotubes,CNTs)以其優異的物理、化學、電學和機械性能一經發現便引起了科研人員的極大興趣。過去二十年，人們為探索CNTs的應用潛力付諸了巨大的努力。當CNTs的表面吸附不同的氣體分子時會引起其電學性質的改變，這也是CNTs作為氣體敏感材料的基礎。然而，用CNTs作為敏感材料還面臨著一些不足，例如對一些氣體的吸附能比較低，缺乏選擇性，恢復時間長。隨著研究的深入，人們發現CNTs的表面缺陷以及殘留污染物對其氣敏性質有著很大的影響。因此，用不同物質對CNTs進行功能化被認為是改變其化學性質增強其氣敏特性的有效手段。盡管貴金屬修飾的CNTs表現處優異的敏感特性，由于使用了貴金屬本身的催化選擇性導致了高昂的成本及有限的監測范圍。此外，CNTs和氧化物之間被認為具有協同效應，用氧化物半導體修飾碳納米管可以提高氣體傳感器的性能。目前，通過不同途徑合成多種CNT基二元材料已經取得了很大進展。例如，Chen等制作的SnO₂分散在CNTs表面的混成材料在室溫下對NO₂，CO和H₂在低濃度下表現出了很好的響應。Asad等報道了 CuO-SWCNT復合納米線材料在室溫下可以檢測濃度低至100ppb的H₂S氣體。

發明內容

本發明旨在通過構筑基于CNTs@α-Fe₂O₃異質結分等級結構復合材料，利用 CNTs的大比表面積、縱向導電性，來改變復合材料形貌、晶粒尺寸、提高載流子濃度及形成勢壘等，從而克服單一金屬氧化物靈敏度低、選擇性差的缺點，實現對低濃度丙酮氣體的檢測。