[發明專利]一種ZnO納米團簇、甲醛氣體傳感器及其制備和應用

在審

• 申請號: 202210504947.0
• 申請日: 2022-05-10
• 公開（公告）號: CN114858870A
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發明（設計）人: 張博;張帥;倪屹;夏仡
• 申請（專利權）人: 江南大學
• 主分類號: G01N27/12
• 分類號: G01N27/12
• 代理公司: 蘇州市中南偉業知識產權代理事務所(普通合伙) 32257
• 代理人: 夏蘇娟

本發明屬于氣體傳感器技術領域，具體涉及一種ZnO納米團簇、甲醛氣體傳感器及其制備和應用，以堿和鋅鹽為原料制得ZnO納米種子，再與ε?Zn(OH)₂反應制得ZnO納米團簇。本發明制備的ZnO納米團簇直徑在5?10μm，具有豐富的氧空位和良好的孔隙結構；基于其的甲醛氣體傳感器對甲醛氣體具有更高的靈敏度、更快的響應速度和恢復速度，在檢測環境中甲醛含量方面具有廣闊的應用前景。

技術領域

本發明屬于氣體傳感器技術領域，具體涉及一種ZnO納米團簇、甲醛氣體傳感器及其制備和應用，該ZnO納米團簇為三維、多孔、富缺陷ZnO納米團簇。

背景技術

甲醛(HCHO)一種無色氣體、有特殊的刺激氣味的揮發性氣體，是一種重要的化工原料，在粘合劑、涂料等室內裝修材料中有著廣泛的應用。長期暴露于甲醛氣氛中會對人的身體健康造成嚴重傷害，皮膚直接接觸甲醛會導致過敏性皮炎、斑點和壞死，吸入甲醛會誘發支氣管炎、呼吸道刺激，水腫，眼睛刺激和頭痛等生理癥狀。因此，開發甲醛傳感器能夠有效檢測所處環境中的甲醛含量，有效地保障人類的身體健康，是一項現實意義較大的工作。

以金屬氧化物半導體為敏感材料的電阻型氣體傳感器具有靈敏度高，低成本等優點，是目前應用最廣泛的傳感器類型之一。ZnO是常見的寬禁帶n型金屬氧化物半導體材料，廣泛用于氣體傳感的敏感材料。然而，基于ZnO納米材料的傳感器往往需要通過高溫激發才能得到較好的響應，這極大地限制了ZnO基氣體傳感器的應用范圍。因此需要對ZnO材料進行進一步的改進從而提高其氣敏性能。

發明內容

本發明旨在提供一種ZnO納米團簇、甲醛氣體傳感器及其制備和應用，所制備的三維ZnO納米團簇具有豐富的氧空位和良好的孔隙結構，將此三維ZnO納米團簇覆蓋在傳感器載體的外表面，制備的傳感器在室溫可見光照場合下，具備更高的靈敏度，較短的響應、恢復時間，在實際應用中具有廣闊的應用前景。

按照本發明的技術方案，所述ZnO納米團簇的制備方法，包括以下步驟，a1：將鋅鹽和堿加入加入乙醇水溶液中，攪拌反應，制得ZnO納米種子；

a2：將所述ZnO納米種子和ε-Zn(OH)₂溶于水中，得到混合溶液；

a3：在微波水熱條件下，將所述混合溶液升溫至80-100℃反應5-10min，通過微波水熱促進ZnO晶體生長并形成缺陷，得到所述ZnO納米團簇。

進一步的，所述鋅鹽在可溶性鋅鹽，選自氯化鋅或醋酸鋅；所述堿選自氫氧化鈉或氫氧化鉀；所述乙醇水溶液的乙醇的體積分數為40-70％，優選為50％。

進一步的，所述步驟a1中，堿與鋅鹽的摩爾比為1.25-1.5：1。

進一步的，所述步驟a2中，ZnO納米種子和ε-Zn(OH)₂的質量比為2-4：1-3。

具體的，所述ZnO納米團簇的制備方法可以如下：

a1：按照1.25-1.5：1的摩爾比，稱取氫氧化鈉和醋酸鋅加入乙醇水溶液中，然后在室溫下劇烈攪拌1-2h；

a2：將步驟a1的溶液過濾獲得的產物用去離子水沖洗3-5次后放在干燥箱中干燥后，得到ZnO納米種子；

a3：按質量比為1-3：2-4稱取ε-Zn(OH)₂(1.0-3.0g)，由步驟a2獲得的ZnO納米種子(0.2-0.4g)，加入去離子水(40-50mL)中，攪拌均勻；

a4：將步驟a3獲得的溶液轉移至聚四氟乙烯內襯的高壓釜(100mL)中，在微波水熱條件下，升溫至80-100℃反應5-10min；

a5：待步驟a4的反應釜冷卻至室溫后，將所得產物用去離子水沖洗3-5次后放入恒溫干燥箱內，在60-80℃下持續干燥8-12h，待溫度自然冷卻后，即得到ZnO粉末狀樣品，即所述ZnO納米團簇。