[發(fā)明專利]一種基于ZnO/CuO異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)納米材料的H2S傳感器及其制備方法

在審

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• 申請日: 2017-03-02
• 公開（公告）號: CN106814113A
• 公開（公告）日: 2017-06-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李丹;盧革宇;劉鳳敏;高原;孫鵬;馬健;康博南
• 申請（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 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(zé)任公司22201
• 代理人: 劉世純,王恩遠(yuǎn)

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于半導(dǎo)體氧化物氣體傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于ZnO/CuO異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)納米材料的H₂S氣體傳感器及其制備方法。

背景技術(shù)

H₂S在工業(yè)上是生產(chǎn)石油、塑料、橡膠的重要副產(chǎn)物，并且是屬于易燃?xì)怏w，與空氣混合能形成爆炸性混合物，遇到明火、高熱能容易引起爆炸。不僅如此，處于H₂S氣氛中時(shí)，H₂S在呼吸道和消化道很快被吸收，這樣會(huì)引起H₂S中毒。即使處于低濃度的環(huán)境中，皮膚也能慢慢的吸入硫化氫造成中毒。因此，H₂S不僅具有較大的火災(zāi)危險(xiǎn)性，還對人的身體健康造成威脅，高濃度時(shí)甚至?xí)?dǎo)致人昏迷和死亡。因此，對于H₂S氣體的檢測具有十分重要的意義。

在種類眾多的氣體傳感器中，以半導(dǎo)體氧化物為敏感材料的電阻型氣體傳感器具有靈敏度高、檢測下限低、選擇性好、響應(yīng)和恢復(fù)速度快、制作方法簡單、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最廣泛的氣體傳感器之一。隨著納米科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，將氣敏材料調(diào)控成納米結(jié)構(gòu)能夠極大地提高材料的比表面積，增加活性位點(diǎn)，可以使氣敏特性得到改善。另外，通過使兩種氣敏材料相結(jié)合，利用它們之間的協(xié)同效應(yīng)可以使得氣敏材料得到進(jìn)一步改性，從而獲得更好的氣敏特性。

ZnO是一種寬禁帶的n型半導(dǎo)體材料，由于其無毒，制作方法簡單等被廣泛應(yīng)用在氣體傳感方面。然而，盡管許多不同形貌、具有大比表面積和活性位點(diǎn)密度的ZnO材料被研制出來，但大多數(shù)ZnO在檢測VOC(揮發(fā)性有機(jī)化合物)氣體時(shí)，都表現(xiàn)出了較低的靈敏度和較高的檢測溫度。因此，利用ZnO與CuO相復(fù)合構(gòu)成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，對于ZnO材料進(jìn)一步改性，從而提升其氣敏性能至關(guān)重要。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種基于ZnO/CuO異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)納米材料的H₂S氣體傳感器及其制備方法。

利用ZnO/CuO異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)作為敏感材料，一方面以ZnO納米棒作為基底，為CuO的修飾提供了好的基體形貌，有利于氣體的傳輸和檢測；另一方面CuO和ZnO之間由于費(fèi)米能級的不同會(huì)形成大量的異質(zhì)結(jié)，這些異質(zhì)結(jié)的出現(xiàn)會(huì)提供更多的反應(yīng)活性位點(diǎn)。這兩方面的共同作用大幅提高了氣體與敏感材料的反應(yīng)效率，進(jìn)而提高了傳感器的靈敏度。本發(fā)明所采用的市售的管式結(jié)構(gòu)傳感器，制作工藝簡單，體積小，利于工業(yè)上批量生產(chǎn)，因此具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

本發(fā)明所述的基于ZnO/CuO異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)納米材料的H₂S氣體傳感器，由外表面帶有兩條平行、環(huán)狀且彼此分立的金電極的Al₂O₃陶瓷管襯底、涂覆在Al₂O₃陶瓷管外表面和金電極上的敏感材料、置于Al₂O₃陶瓷管內(nèi)的鎳鎘加熱線圈組成；其特征在于：敏感材料為ZnO/CuO異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)納米材料，且由如下步驟制備得到：

(1)將0.33～0.40g醋酸鋅、0.70～0.8g六次甲基四胺(HMT)加入到8mL去離子水中，攪拌10～20min直至其全部溶解；將上述溶液在300～400℃下超聲噴霧熱分解10～20min，并使分解產(chǎn)物生長到FTO襯底上，從而得到生長ZnO種子層的FTO襯底；

(2)將0.68～0.70g的氯化鋅和1～2mL乙醇胺的混合溶液在300～400℃下超聲噴霧熱分解1～3個(gè)小時(shí)，并使分解產(chǎn)物生長到步驟(1)中獲得的FTO襯底上，最后在450℃～500℃下燒結(jié)1～3小時(shí)，從而得到沉積ZnO納米棒的FTO襯底；

(3)將100～200μL、質(zhì)量分?jǐn)?shù)25％～28％的氨水加入到10mL、0.2mol/L硫酸銅的水溶液中，然后將步驟(2)中得到的沉積氧化鋅棒的FTO襯底放入到該水溶液中，在30～50℃下水浴10min～20min，從而得到ZnO/CuO異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)納米材料，其為ZnO納米棒與CuO納米顆粒復(fù)合的P-N結(jié)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)；

本發(fā)明所述的一種基于ZnO/CuO異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)納米材料的H₂S氣體傳感器的制備方法，其步驟如下：