本發(fā)明涉及氣敏材料，尤其涉及一種氧化鋅-鐵酸鋅空心納米花復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、目前，大氣污染等環(huán)境問題愈發(fā)嚴(yán)峻，氣敏傳感器的重要性也逐漸凸顯出來，激發(fā)了科研工作者對提高氣敏材料氣敏性能的研究。近年來，關(guān)于敏感材料的報道中，主要是針對于氧化物本身結(jié)構(gòu)的形貌調(diào)控，相對于單一的金屬元素，多元金屬氧化的半導(dǎo)體的氣敏特性不僅能通過調(diào)控微觀形貌，還可以通過調(diào)整不同組分的化學(xué)計(jì)量比來改善。目前研究最多的多元金屬氧化物半導(dǎo)體材料主要是尖晶石型。多樣的金屬離子類別、晶體構(gòu)型以及缺陷狀態(tài)使得尖晶石結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體氧化物更容易通過成分調(diào)節(jié)、形貌調(diào)控的方式來獲得更加優(yōu)異的特性，這對于構(gòu)筑高性能的氣敏傳感器有著重要的意義。

2、zno是最常見的n型半導(dǎo)體之一，具有3.37ev的寬帶隙，因其成本低、可擴(kuò)展制造和多樣化的納米結(jié)構(gòu)等獨(dú)特性能而成為氣敏傳感器領(lǐng)域的重要候選材料，同時，具有獨(dú)特化學(xué)結(jié)構(gòu)的znfe2o4也因其高靈敏度、低工作溫度和對被測氣體的優(yōu)異響應(yīng)被認(rèn)為是一種良好的尖晶石型氣敏材料。許多研究表明，由兩種或多種金屬氧化物構(gòu)成的傳感材料比單一金屬氧化物具有更優(yōu)異的傳感性能，這是因?yàn)楫愘|(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料由于組分的協(xié)同作用有望具有更高的氣敏反應(yīng)活性。

3、與其他材料的結(jié)構(gòu)相比，中空結(jié)構(gòu)在傳感性能方面具有明顯優(yōu)勢，具有中空結(jié)構(gòu)的材料可以被稱為一種內(nèi)部具有空隙的功能材料，它通常占總體積的很大比例。獨(dú)特的中空結(jié)構(gòu)不僅提供了具有豐富活性位點(diǎn)的大比表面積，而且還為電荷載流子的傳輸提供了短距離。此外，開放式中空結(jié)構(gòu)還為氣體分子的傳輸提供了通道，從而可以加快響應(yīng)速度和感應(yīng)恢復(fù)速度。因此，合成具有中空結(jié)構(gòu)的介孔zno/znfe2o4具有氣敏應(yīng)用價值。

4、目前，現(xiàn)有zno/znfe2o4基傳感器雖然在改善氣敏性能方面取得了一些進(jìn)展，但是現(xiàn)有zno/znfe2o4基納米氣敏材料存在不穩(wěn)定，檢出限高、比表面積小的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種氧化鋅-鐵酸鋅空心納米花復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用，一種空心納米花尖晶石結(jié)構(gòu)氣敏材料及其制備方法，以解決尖晶石型納米氣敏材料不穩(wěn)定，檢出限高、比表面積小的問題，具有優(yōu)異的氣敏性。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明提供了一種氧化鋅-鐵酸鋅空心納米花復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

4、將乙酸鋅、鐵氰化鉀、聚乙烯吡咯烷酮和水混合，進(jìn)行沉淀反應(yīng)，得到zn3[fe(cn)6]2納米顆粒；

5、將所述zn3[fe(cn)6]2納米顆粒、水與n,n-二甲基甲酰胺混合，進(jìn)行刻蝕處理，得到znfe前驅(qū)體；

6、將所述znfe前驅(qū)體進(jìn)行煅燒，得到氧化鋅-鐵酸鋅空心納米花復(fù)合材料。

7、優(yōu)選的，所述乙酸鋅、鐵氰化鉀、聚乙烯吡咯烷酮和水混合包括：將乙酸鋅和聚乙烯吡咯烷酮與水第一混合，得到混合溶液，將鐵氰化鉀與水第二混合，得到鐵氰化鉀溶液，將混合溶液與鐵氰化鉀溶液第三混合。

8、優(yōu)選的，所述混合溶液中，乙酸鋅、聚乙烯吡咯烷酮與水的用量比為200～230mg:490～520mg:20～30ml；所述第一混合的時間為5～15min。

9、優(yōu)選的，所述鐵氰化鉀溶液中，鐵氰化鉀與水的用量比為310～340mg:20～30ml；所述第二混合的時間為5～15min。

10、優(yōu)選的，所述第三混合的時間為20～40min；所述沉淀反應(yīng)的時間為10～30h。

11、優(yōu)選的，所述zn3[fe(cn)6]2納米顆粒、水與n,n-二甲基甲酰胺的用量比為25～40mg:3～10ml:15～30ml。

12、優(yōu)選的，所述刻蝕處理的時間為10～20min。

13、優(yōu)選的，所述煅燒的溫度為400～700℃，時間為0.1～4h，升溫至所述煅燒的溫度的升溫速率為0.5～2.5℃/min。

14、本發(fā)明提供了上述技術(shù)方案所述制備方法制備得到的氧化鋅-鐵酸鋅空心納米花復(fù)合材料。

15、本發(fā)明提供了上述技術(shù)方案所述氧化鋅-鐵酸鋅空心納米花復(fù)合材料在氣體傳感器中的應(yīng)用。

16、本發(fā)明提供了一種氧化鋅-鐵酸鋅空心納米花復(fù)合材料的制備方法，采用化學(xué)沉淀法在室溫將乙酸鋅、聚乙烯吡咯烷酮和鐵氰化鉀進(jìn)行沉淀，得到實(shí)心zn3[fe(cn)6]2納米顆粒；將zn3[fe(cn)6]2納米顆粒作為模板在水-n,n-二甲基甲酰胺中進(jìn)行刻蝕，得到znfe前驅(qū)體，將前驅(qū)體高溫煅燒處理，得到氧化鋅-鐵酸鋅空心納米花結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。

17、本發(fā)明的方法制備的zno/znfe2o4復(fù)合材料形貌良好，呈現(xiàn)空心納米花尖晶石結(jié)構(gòu)，獨(dú)特的中空結(jié)構(gòu)提供了具有豐富活性位點(diǎn)的大比表面積，也為電荷載流子的傳輸提供了短距離，空心納米花結(jié)構(gòu)內(nèi)部微孔和空心部分可以作為氣體分子的通道，加速氣體分子在材料表面的擴(kuò)散，提高了氣體傳感的響應(yīng)速度和恢復(fù)速度，從而提高材料的氣敏性能；其大比表面積提供了更多的活性位點(diǎn)，增強(qiáng)了氣體分子的吸附能力，從而可提高靈敏度，降低檢出限。因此，該結(jié)構(gòu)在氣敏傳感器、催化活化等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值，為擴(kuò)大尖晶石型半導(dǎo)體氧化物作為敏感材料構(gòu)筑氣敏傳感器的應(yīng)用提供了新思路。

18、本發(fā)明未使用常規(guī)的溶劑熱反應(yīng)，只需簡單的常溫條件即可得到產(chǎn)物，綠色環(huán)保可大規(guī)模制造，并且尺寸均一，不易團(tuán)聚且形貌尺寸可調(diào)。

19、本發(fā)明制備方法簡單易行，采用常用化學(xué)實(shí)驗(yàn)藥品，價格低廉。

技術(shù)特征：

1.一種氧化鋅-鐵酸鋅空心納米花復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述乙酸鋅、鐵氰化鉀、聚乙烯吡咯烷酮和水混合包括：將乙酸鋅和聚乙烯吡咯烷酮與水第一混合，得到混合溶液，將鐵氰化鉀與水第二混合，得到鐵氰化鉀溶液，將混合溶液與鐵氰化鉀溶液第三混合。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述混合溶液中，乙酸鋅、聚乙烯吡咯烷酮與水的用量比為200～230mg:490～520mg:20～30ml；所述第一混合的時間為5～15min。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述鐵氰化鉀溶液中，鐵氰化鉀與水的用量比為310～340mg:20～30ml；所述第二混合的時間為5～15min。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述第三混合的時間為20～40min；所述沉淀反應(yīng)的時間為10～30h。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述zn3[fe(cn)6]2納米顆粒、水與n,n-二甲基甲酰胺的用量比為25～40mg:3～10ml:15～30ml。

7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的制備方法，其特征在于，所述刻蝕處理的時間為10～20min。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述煅燒的溫度為400～700℃，時間為0.1～4h，升溫至所述煅燒的溫度的升溫速率為0.5～2.5℃/min。

9.權(quán)利要求1～8任一項(xiàng)所述制備方法制備得到的氧化鋅-鐵酸鋅空心納米花復(fù)合材料。

10.權(quán)利要求9所述氧化鋅-鐵酸鋅空心納米花復(fù)合材料在氣體傳感器中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種氧化鋅?鐵酸鋅空心納米花復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用，屬于氣敏材料技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明采用化學(xué)沉淀法在室溫將乙酸鋅、聚乙烯吡咯烷酮和鐵氰化鉀進(jìn)行沉淀，得到實(shí)心Zn<subgt;3</subgt;[Fe(CN)<subgt;6</subgt;]<subgt;2</subgt;納米顆粒；將Zn<subgt;3</subgt;[Fe(CN)<subgt;6</subgt;]<subgt;2</subgt;納米顆粒作為模板反應(yīng)物在水?N,N?二甲基甲酰胺中進(jìn)行刻蝕，得到ZnFe前驅(qū)體，將前驅(qū)體高溫煅燒處理，得到氧化鋅?鐵酸鋅空心納米花結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。本發(fā)明的方法制備的ZnO/ZnFe<subgt;2</subgt;O<subgt;4</subgt;復(fù)合材料形貌良好，具有較大的比表面積，呈現(xiàn)空心納米花尖晶石結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在氣敏傳感器領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值，為擴(kuò)大尖晶石型半導(dǎo)體氧化物作為敏感材料構(gòu)筑氣敏傳感器的應(yīng)用提供了新思路。

技術(shù)研發(fā)人員：曾毅,沈唯,徐昊妍
受保護(hù)的技術(shù)使用者：吉林大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9