[發明專利]一種對丙酮敏感的鈷酸鋅納米多殼層yolk-shell膜

有效

• 申請號: 201710599565.X
• 申請日: 2017-07-21
• 公開（公告）號: CN107449805B
• 公開（公告）日: 2020-05-22
• 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
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供了一種可用于檢測丙酮的鈷酸鋅(ZnCo₂O₄)納米多殼層蛋黃?蛋殼(yolk?shell)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、六水硝酸鈷、尿素以一定比例混合，以碳球為模板制備了ZnCo₂O₄納米多殼層yolk?shell前驅體，然后經熱處理得到ZnCo₂O₄納米多殼層yolk?shell結構，最后通過滴涂法制備成膜器件。在所測溫度范圍內(100?300℃)，ZnCo₂O₄納米多殼層yolk?shell傳感器在200℃下對500ppm丙酮的靈敏度最高，為38.2，響應/恢復時間為19秒/71秒。對比ZnCo₂O₄納米管、ZnCo₂O₄納米片和ZnCo₂O₄多殼層yolk?shell結構對丙酮的氣敏響應，可知ZnCo₂O₄多殼層yolk?shell結構對丙酮不僅有更高的靈敏度，且響應/恢復時間更短。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，具體涉及一種鈷酸鋅納米多殼層yolk-shell膜的制備及其對丙酮的氣敏性能研究。

背景技術

丙酮(acetone)是一種無色、易揮發、有毒液體，一種優良的有機溶劑。作為一種重要的工業原料，丙酮被廣泛應用于制藥工業如殺蟲劑的制備等。另一方面，由于丙酮有毒，當丙酮濃度高于173ppm時會對眼、耳、中樞神經系統等造成傷害(J.Mater.Sci:Mater.Electron.2016,27,2086)。例外，醫學研究表明，糖尿病患者呼出氣體中丙酮的含量大于1.8ppm，這明顯高于正常人呼出氣體中丙酮的含量(RSC Adv.,2015,5,59976)。因此如何研制出檢測濃度低、體積小、易攜帶的丙酮氣體傳感器來隨時監測病人呼出氣體中丙酮的濃度從而密切關注病情發展，具有非常重要的現實意義和實用價值。

金屬氧化物半導體氣體傳感器由于具有靈敏度高、制備成本低、無毒環保、易于集成等優點而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。遺憾的是，由于其自身有限的物理化學性質，使用單一的金屬氧化物半導體用于氣體檢測很難獲得氣敏特性的進一步提高，此外，金屬氧化物半導體氣體傳感器的工作溫度普遍較高、且選擇性較差。在這種情況下，將敏感材料從單一組分的金屬氧化物擴展到多組分金屬氧化物結構顯得尤為重要。由于其可調的化學組成和不同成分之間的協同作用，多元結構往往能夠表現出更出色的氣體敏感特性。近年來，有報道稱尖晶石型三元金屬氧化物鈷酸鋅(ZnCo₂O₄)對一些特定氣體能夠表現出非常好的敏感性。而且通過形貌調控，可進一步提高鈷酸鋅傳感器的氣敏性。

Yolk-shell結構也稱蛋黃-蛋殼結構，是一種新穎的復合結構，其空心殼層內包含可以自由移動的納米粒子作為核。這種結構結合了核殼兩部分的性質，并具有大的比表面積和快速的物質傳輸能力等優點，在藥物傳遞、催化劑、能量存儲和傳感器等方面具有獨特的應用前景。隨著研究的不斷深入，近年來復雜的yolk-shell結構相繼被合成，如多殼層yolk-shell結構、多核yolk-shell結構等。這些結構進一步增加了材料的比表面積，孔隙率等。

前人對ZnCo₂O₄納米多殼層yolk-shell結構的研究并不多見，而且極少將此結構用于氣體檢測。為實現對丙酮的高靈敏、低濃度檢測，我們以碳為模板制備了ZnCo₂O₄納米多殼層yolk-shell結構，然后利用滴涂法制備膜器件，并系統研究了工作溫度、形貌等對丙酮敏感性能的影響。該納米多殼層yolk-shell結構制備方法簡單，可重復性好，基于該結構的傳感器對丙酮靈敏度高且響應恢復時間短、選擇性高，可對低濃度丙酮(0.5ppm)進行檢測，具有很好的應用價值和前景。