一種有序Cu摻雜的納米孔氧化錫傳感器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氣體傳感器，具體涉及一種以氧化銅摻雜有序納米孔氧化錫為傳感材料的薄膜型高選擇性的室溫H2S氣敏傳感器件。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)在為人類帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益和文明進(jìn)步的同時(shí)也帶來了安全和環(huán)境問題，特別是石油煤炭等能源產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)過程中存在大量易燃易爆和有毒物質(zhì)。面對(duì)如此嚴(yán)重的安全及環(huán)境問題，各國政府加大對(duì)傳感器技術(shù)的投入和研發(fā)。美國政府一直高度重視對(duì)傳感器技術(shù)的研發(fā)支持，出于能源安全的需要出臺(tái)計(jì)劃開發(fā)新型傳感器，用于檢測(cè)有毒有害氣體。2011年我國發(fā)布國家中長期規(guī)劃明確將環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備用氣體傳感器作為主要發(fā)展對(duì)象。然而，傳統(tǒng)的氣體傳感器存在低濃度微弱信號(hào)的檢測(cè)靈敏度偏低，選擇性差等缺點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，大都采用加熱方式，提高傳感器工作溫度(工作溫度200-600°C )。加熱系統(tǒng)的引入不僅增加了能耗，而且容易引爆可燃性氣體，帶來巨大安全隱患。如專利CN104502413制備所得氧化銅摻雜氧化錫基硫化氫氣敏材料的最佳傳感檢測(cè)溫度為240 °C。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，提供一種在室溫下，即能對(duì)低濃度H2S快速響應(yīng)的傳感器件。
[0004]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種有序Cu摻雜的納米孔氧化錫傳感器件，通過以下步驟制備:
(1)氧化石墨稀/叉指電極制備:制備濃度為0.01-10mg/ml的極性氧化石墨稀溶液(優(yōu)選濃度為lmg/ml，)，調(diào)節(jié)氧化石墨稀極性溶液的pH值為9_10，采用旋涂法制備基于叉指電極的氧化石墨烯薄膜；
(2)鍍有傳感材料的器件制備:取質(zhì)量比為1:100-8:100的銅鹽和錫鹽(優(yōu)選摩爾比為4:100)，溶于極性溶劑中，然后加入表面活性劑，調(diào)節(jié)pH值至獲得澄清溶液；將所得澄清溶液采用旋涂法在步驟(I)中制備的器件上鍍膜，即得鍍有傳感材料的器件；將所得鍍有傳感材料的器件干燥后，經(jīng)熱蒸汽處理1-4天；所述表面活性劑與錫鹽的質(zhì)量比為
0.4:100-6:100 (優(yōu)選摩爾比為 0.48:100 )。
[0005](3 )去除步驟(2 )所得器件中的表面活性劑；
(4)還原:將步驟(3)所得器件在紫外照射條件下進(jìn)行還原反應(yīng)，即得所述納米孔氧化錫傳感器件。
[0006]其中，步驟(I)中極性氧化石墨烯溶液為氧化石墨烯水溶液；所述步驟(2 )中的極性溶劑采用無水乙醇。
[0007]步驟(2)中熱蒸汽處理的方法如下:將干燥后的器件放入密閉容器中，調(diào)節(jié)容器內(nèi)的相對(duì)濕度70%-95%，再將容器放入鼓風(fēng)干燥箱中調(diào)節(jié)溫度為100~150°C。
[0008]步驟(3)中去除模板劑的方法如下:將步驟(2)經(jīng)熱蒸汽處理后的器件置于UV-O3環(huán)境下處理24_48h。
[0009]銅鹽采用氯化銅、硝酸銅或硫酸銅，優(yōu)選氯化銅；錫鹽采用無水氯化錫、硝酸錫或硫酸錫，優(yōu)選無水氯化錫；叉指電極采用金電極或鉑電極，優(yōu)選叉指金電極。
[0010]步驟(I)中旋涂法采用旋涂速度為2000-4000rpm，每次旋涂時(shí)間30_60s ;步驟
(2)中旋涂法步驟為:在勻膠機(jī)內(nèi)，通過控制勻膠機(jī)腔體的濕度為5%~50%，旋涂的速度為2000-4000rpm，每次旋涂時(shí)間為30_60s，鍍膜的重復(fù)次數(shù)為1-10次。
[0011]本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn):
1、本發(fā)明有序納米孔Cu摻雜的納米氧化錫傳感器件的傳感性能優(yōu)異，對(duì)低濃度H2S氣體響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間均低于20s。
[0012]2、本發(fā)明傳感器件的制備過程將復(fù)合傳感材料的制備與傳感器制作同步進(jìn)行，簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)步驟，增強(qiáng)傳感材料制備的可重復(fù)性，提高傳感材料的比表面積，形成優(yōu)質(zhì)p-n結(jié)，為載流子傳輸提供優(yōu)良通道，活化晶粒表面吸附能力，促進(jìn)表面反應(yīng)活性，提高靈敏度以及縮短響應(yīng)時(shí)間，將傳感檢測(cè)溫度將至室溫，大大增強(qiáng)的氣敏元件的工作使用廣度，并有利于降低能耗。
[0013]3、本發(fā)明運(yùn)用熱蒸法所得有序納米孔氧化錫傳感材料，結(jié)構(gòu)有序，熱穩(wěn)定性強(qiáng)；運(yùn)用UV-O3法去除表面活性劑，避免了傳統(tǒng)焙燒的方法對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)的破壞；運(yùn)用UV還原法充分運(yùn)用紫外激發(fā)氧化錫的還原能力，對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行了有效的還原，與傳統(tǒng)的還原方法相比，該方法環(huán)境友好，操作方便，成本低。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中制備的傳感器件的SEM圖；
圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中經(jīng)熱蒸法處理后及經(jīng)群-03處理后的傳感膜的一維SAXS散射圖；
圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中制備的傳感器件表面?zhèn)鞲心さ腡EM圖；
圖4為本發(fā)明實(shí)施例1中制備的傳感器件的傳感性能圖。
[0015]圖1中，1-石墨稀，2-叉指電極。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0017]實(shí)施例1
1、在室溫下，配置氧化石墨烯溶液(溶劑為去離子水)lmg/ml，調(diào)節(jié)pH值為9_10，啟動(dòng)勻膠機(jī)，移液器取10ul溶液，控制勻膠機(jī)的轉(zhuǎn)速為2000rpm，旋涂時(shí)間為30s。
[0018]2、將涂有氧化石墨烯的器件(叉指金電極)在60°C條件下干燥。稱取0.04g氯化銅和Ig無水四氯化錫，溶解于無水乙醇中，加入0.4g的表面活性劑F127，然后加入Iml濃鹽酸，混合均勻得到澄清溶液。啟動(dòng)勻膠機(jī)，將涂有氧化石墨烯的器件固定在勻膠機(jī)腔體內(nèi)，控制腔體的濕度為10%，旋涂速度為4000rpm，旋涂時(shí)間為30s，旋涂重復(fù)I次。將上述新制備傳感材料的器件干燥后，將器件放入密閉容器中，調(diào)節(jié)容器內(nèi)的相對(duì)濕度70%，再將容器放入鼓風(fēng)干燥箱中調(diào)節(jié)溫度為100°C，反應(yīng)時(shí)間為4天。
[0019]3、在UV/03環(huán)境下36h，最后在UV光照射下持續(xù)8h，得到基于石墨烯/金電極制備有序納米孔Cu摻雜SnO2傳感器件。
[0020]圖1為制備所得石墨稀/金電極制備有序Cu摻雜納米孔SnO2傳感器件的SEM圖，從圖中可以看出通過石墨烯I的橋聯(lián)，使得叉指電極2的性能得到了巨大的提升。
[0021]圖2為步驟2處理后、以及經(jīng)過UV-O3處理后的傳感膜的SAXS圖，從圖中可以看出，兩者均具有良好的結(jié)構(gòu)有序性。
[0022]圖3為制備所得石墨稀/金電極制備有序Cu摻雜納米孔SnO2傳感器件表面?zhèn)鞲心さ耐干潆婄R照片，從圖中可以看出納米粒子粒徑為5nm左右，納米孔沿著110晶面長程有序的排列，平均孔徑為1nm左右。
[0023]圖4為制備所得石墨稀/金電極制備有