[發(fā)明專利]一種氣敏材料與氣體傳感器及其制備方法

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• 申請日: 2022-03-21
• 公開（公告）號: CN114609196A
• 公開（公告）日: 2022-06-10
• 發(fā)明（設計）人: 孟凡利;秦聞博;苑振宇;付俊
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: G01N27/12
• 分類號: G01N27/12;B82Y40/00;B82Y30/00
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 徐笑陽

本發(fā)明屬于氣體傳感器技術領域，涉及一種氣敏材料與氣體傳感器及其制備方法，所述氣敏材料為鈣鈦礦型La_1?xFeO₃，是鈣鈦礦相LaFeO₃經酸性蝕刻選擇性溶解La后獲得的，本發(fā)明以硝酸鑭和硝酸鐵為原料，聚乙烯吡咯烷酮為表面活性劑，乙二醇作為溶劑，利用水熱反應得到前驅體材料，高溫退火后得到純鈣鈦礦相LaFeO₃粉末，然后將其分散在檸檬酸溶液中，室溫下超聲并攪拌特定時間后進行離心和烘干，將得到的粉末在空氣氛圍中燒結，得到酸性蝕刻的鈣鈦礦型La_1?xFeO₃敏感材料。本發(fā)明基于酸性蝕刻策略的表面活性位點富集的鈣鈦礦型La_1?xFeO₃敏感材料的氣體傳感器在檢測微量丙酮方面有廣闊的應用前景。

技術領域

本發(fā)明屬于半導體氧化物氣體傳感器技術領域，具體涉及一種氣敏材料與氣體傳感器及其制備方法。

背景技術

隨著全球工業(yè)和經濟的快速發(fā)展，揮發(fā)性有機化合物(VOCs)氣體污染已成為危害社會安全和人類健康的嚴重問題。特別是丙酮，其作為有機合成原料和良好溶劑，在濃度超過173ppm時具有很強的揮發(fā)性。長期接觸高濃度的丙酮會對人的眼睛、鼻子和中樞神經系統(tǒng)造成損害。此外，丙酮也是糖尿病患者呼吸過程中的一個重要生物標志物。通常情況下，健康人呼吸中的丙酮濃度在0.3ppm到0.9ppm之間，而糖尿病前期患者呼吸中的丙酮濃度高于1.8ppm，所以人體呼出氣體中的丙酮濃度是診斷糖尿病前期的一個重要而可靠的指標。因此，開發(fā)快速、選擇性地檢測丙酮的氣體傳感器對社會和醫(yī)學都有重要意義。

鈣鈦礦LaFeO₃是一種典型的P型半導體材料，在氣體傳感器領域引起了很多關注和研究。然而，在檢測過程中，鈣鈦礦LaFeO₃通常表現(xiàn)出不令人滿意的氣體傳感性能，這主要是由于其較低的比表面積和較少的活性點。為了提高VOC氣體在表面的吸附能力，主要的研究方法是制備具有大比表面積的三維(3D)結構和貴金屬修飾。具有大比表面積的三維材料的制備可以增加吸附位點，但通常需要構建一個可消除的模板，這會增加制備過程。貴金屬具有催化作用，也可以提供額外的吸附位點，增強表面對氣體的吸附作用，但會增加成本，不適合大規(guī)模生產和實際應用。因此，開發(fā)成本低、制備工藝簡單且表面活性位點富集的鈣鈦礦型LaFeO₃丙酮氣體傳感器在工業(yè)和醫(yī)療領域具有巨大的應用潛力。有關密度泛函和分子動力學理論研究結果表明，鈣鈦礦氧化物的催化活性或吸附位點基本上是由B位金屬陽離子控制的而不是A位金屬陽離子。然而，對于純鈣鈦礦氧化物的暴露表面，A位陽離子比B位陽離子具有優(yōu)先權。這導致了一種可能性，即基于理想的塊狀端面的各種原始鈣鈦礦氧化物氣體傳感器的真正氣敏性能被嚴重低估了。因此，通過調整鈣鈦礦LaFeO₃表面以暴露出更多的B位活性吸附位點來提高氣敏性能是可行的。

發(fā)明內容

基于上述目的，本發(fā)明提供一種氣敏材料與氣體傳感器及其制備方法。本發(fā)明中，通過檸檬酸溶液蝕刻策略，進行表面金屬La選擇性溶解，制備了表面活性位點Fe富集的鈣鈦礦La_1-xFeO₃納米顆粒，并采用La_1-xFeO₃納米顆粒制備氣體傳感器，在鈣鈦礦LaFeO₃中，單個La-O鍵通常比Fe-O鍵更長，具有更高的表面能，這導致不同的金屬陽離子在酸性溶液中的溶解度不同。La金屬陽離子可以在酸處理后從晶體框架中被腐蝕出來，導致鈣鈦礦LaFeO₃表面暴露更多的活性金屬Fe，這將增加敏感材料表面的活性位點，從而實現(xiàn)了傳感器氣敏特性的極大改良。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種氣敏材料，所述氣敏材料為鈣鈦礦型La_1-xFeO₃，是鈣鈦礦相LaFeO₃經酸性蝕刻選擇性溶解La后獲得的。

本發(fā)明另一方面還提供了上述氣敏材料的制備方法，包括如下步驟：