[發明專利]一種對乙醇敏感的氧化鋅-氧化鈷納米中空多面體膜

有效

• 申請號: 201710144946.9
• 申請日: 2017-03-13
• 公開（公告）號: CN106841326B
• 公開（公告）日: 2019-03-29
• 發明（設計）人: 薛慶忠;熊雅;朱縱野;丁德恭;魯文博
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（華東）
• 主分類號: G01N27/12
• 分類號: G01N27/12;B82Y15/00;B82Y40/00
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本發明提供了一種可用于檢測乙醇的氧化鋅?氧化鈷納米中空多面體膜的制備方法，屬于氣敏傳感器技術領域。我們將六水硝酸鋅和六水硝酸鈷以一定比例混合，通過模板法制備了氧化鋅?氧化鈷前驅體，然后熱處理得到氧化鋅?氧化鈷中空多面體，再通過絲網印刷法制備成膜器件。在所摻雜范圍內(氧化鋅和氧化鈷的摩爾比例分別為0、0.5mol％、2mol％和4mol％)，2mol％為最佳摻雜。在所測溫度范圍內(100?300℃)，對于2mol％ZnO?Co₃O₄和4mol％ZnO?Co₃O₄，最佳工作溫度降為200℃。2mol％ZnO?Co₃O₄在200℃下對1000ppm乙醇的靈敏度高達106，響應/恢復時間為7/236秒。此傳感器膜制備方法簡單，原料成本低，材料膜性能優異，可重復性好，具有很好的應用價值和前景。

技術領域

本發明屬于氣敏傳感器技術領域，具體涉及一種氧化鋅摻雜氧化鈷(ZnO-Co₃O₄)納米中空多面體膜的制備及其對乙醇的氣敏性能研究。

背景技術

乙醇(ethanol)是一種無色易揮發液體，一種優良的有機溶劑。作為一種重要的工業原料和消毒劑，乙醇不僅廣泛應用于食品工業、日用化工和醫療衛生等領域，而且在石油替代方面具有良好的發展前景。由于乙醇氣味香甜，目前含乙醇的飲料和食品越來越多，在我國尤其以酒類居多。酒后駕駛的違法事故日趨增加，這對交通執法的力度和水平提出了新的要求。盡管乙醇本身對人體并無危害，但人若長時間處于含乙醇蒸汽的環境中將會出現頭痛、困倦、眼疼、呼吸困難等癥狀。因此快速準確檢測乙醇的濃度具有非常重要的現實意義和實用價值。

固態電阻型金屬氧化物半導體氣體傳感器被廣泛應用于醫療診斷、空氣質量監測、食品處理、有毒氣體的檢測等領域。氧化鈷(Co₃O₄)是一種非常典型的p-型半導體，其禁帶寬度為1.6-2.2eV。Co₃O₄具備很強的氧吸附能力，主要是因為二價Co²⁺容易被氧化為更高價態的 Co離子，這一性質使得Co₃O₄成為一種極具潛力的氣敏材料。遺憾的是，使用單一的Co₃O₄用于氣體檢測尚存在一些不足，如工作溫度高，靈敏度低，響應恢復慢等。這些問題主要可通過兩種方案解決：1)調控材料的形貌和微結構，如制備中空結構，三維結構等以增強材料的比表面積；2)通過復合形成p-n異質結。由于具備成本低、化學穩定性好、易于摻雜等優點，氧化鋅(ZnO)常被用來和Co₃O₄結合形成復合氣敏材料。例如，Lee課題組采用熱蒸發法將Co₃O₄顆粒修飾到ZnO納米線上，并研究了其對二氧化氮和乙醇的響應(Chem.Commun,2011,47,5148)。Liu等人制備了ZnO/Co₃O₄復合微球結構，并對比了此復合結構和單相ZnO結構對乙醇的響應(Sens.Actuators B:Chem.,2015,221,1492)。Yuan等人采用濕化學路線制備了ZnO修飾的Co₃O₄復合結構，研究表明該結構對乙醇和甲醛的氣敏性能明顯優于純ZnO(Appl.Surf.Sci.,2013,265,379)。Gasparotto課題組用兩步等離子體增強化學氣相沉積法 (PECVD)制備了Co₃O₄/ZnO復合結構，并研究了其對丙酮、乙醇和二氧化氮的氣敏性能(ACS Appl.Mater.Inter.,2012,4,928)。因此，理論上而言，通過將ZnO和Co₃O₄復合，可顯著提升傳感器的氣敏性能。