一種基于α?Fe₂O₃多孔微米花敏感材料的丙酮氣體傳感器及其制備方法
【專利摘要】一種基于α?Fe2O3多孔微米花敏感材料的丙酮氣體傳感器及其制備方法，屬于半導(dǎo)體氧化物氣體傳感器技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明結(jié)合了溶劑熱法和煅燒法的新穎制備手段制備了α?Fe2O3多孔微米花敏感材料。利用α?Fe2O3多孔微米花的疏松多孔、分散性良好、基本單元尺寸較小等特點，有效監(jiān)測丙酮氣體。此外，本發(fā)明所采用的傳感器結(jié)構(gòu)是由市售的帶有2個環(huán)形金電極的Al2O3絕緣陶瓷管、涂敷在環(huán)形金電極和Al2O3絕緣陶瓷管上的半導(dǎo)體敏感材料、以及穿過Al2O3絕緣陶瓷管的鎳鉻合金加熱線圈組成。器件工藝簡單，體積小，適于大批量生產(chǎn)，因而在檢測微環(huán)境中丙酮含量方面有廣闊的應(yīng)用前景。
【專利說明】
一種基于a-Fe203多孔微米花敏感材料的丙酮氣體傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體氧化物氣體傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于Ct-Fe2O3多孔微米花敏感材料的丙酮氣體傳感器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]丙酮又名二甲基酮，是一種無色、透明、活潑、易燃、易揮發(fā)并有辛辣氣味的液體。在工業(yè)上不僅可以作為生產(chǎn)炸藥、塑料、橡膠的重要溶劑，還是用作合成烯酮、碘仿、環(huán)氧樹脂等物質(zhì)的重要原料。然而，類似于其他有機溶劑，它具有易燃、易揮發(fā)的特點，遇明火、高熱極易燃燒爆炸，其爆炸極限為2.55%?12.8%。并且，丙酮不僅具有較大的火災(zāi)危險性，在低濃度時還對人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)具有麻醉作用，使人體的神經(jīng)系統(tǒng)、肝臟、腎臟、胰腺等器官受損，在高濃度時甚至?xí)?dǎo)致人昏迷和死亡。因此，對于丙酮氣體的檢測具有十分重要的意義。
[0003]在種類眾多的氣體傳感器中，以半導(dǎo)體氧化物為敏感材料的電阻型氣體傳感器具有靈敏度高、檢測下限低、選擇性好、響應(yīng)和恢復(fù)速度快、制作方法簡單、成本較低等優(yōu)點，是目前應(yīng)用最廣泛的氣體傳感器之一。隨著納米科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，將氣敏材料調(diào)控成納米結(jié)構(gòu)能夠極大地提高材料的比表面積，增加活性位點，可以使氣敏特性得到改善。
[0004]Ct-Fe2O3是一種寬禁帶的η型半導(dǎo)體材料，由于其無毒，資源豐富等被廣泛應(yīng)用在氣體傳感方面。然而，盡管許多不同形貌、不同尺寸的Ct-Fe2O3材料被研制出來，但大多數(shù)α-Fe2O3在檢測VOC(揮發(fā)性有機化合物)氣體時，都表現(xiàn)出了較低的靈敏度和較高的檢測溫度。另外，由于它們的制作方法較為苛刻，所以利用簡單方法制備分等級C1-Fe2O3氣敏材料，通過調(diào)控其尺寸及形貌特點，從而提升其氣敏性能至關(guān)重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種基于Ct-Fe2O3多孔微米花敏感材料的丙酮氣體傳感器及其制備方法。
[0006]利用Ct-Fe2O3多孔微米花作為敏感材料，一方面Ct-Fe2O3作為典型的半導(dǎo)體氣敏材料，具有無毒、資源豐富等特點被廣泛研究；另一方面Ct-Fe2O3的分等級結(jié)構(gòu)具有比表面積大，疏松多孔等特點，能夠大幅提高氣體與敏感材料的反應(yīng)效率，進而提高了傳感器的靈敏度。此外，組成a-Fe203多孔微米花的基本單元為小尺寸、10?20nm的a-Fe203納米顆粒，納米顆粒所獨有的活性能夠降低反應(yīng)所需能量，從而可以降低器件的工作溫度。同時，納米顆粒間存在的堆積孔有利于氣體的傳輸擴散，能夠有效減少響應(yīng)時間。本發(fā)明所采用的市售的管式結(jié)構(gòu)傳感器制作工藝簡單，體積小，利于工業(yè)上批量生產(chǎn)，因此具有重要的應(yīng)用價值。
[0007]本發(fā)明所述的基于Q-Fe2O3多孔微米花敏感材料的丙酮氣體傳感器，由外表面帶有兩條平行、環(huán)狀且彼此分立的金電極的Al2O3陶瓷管襯底、涂覆在Al2O3陶瓷管外表面和金電極上的敏感材料、置于Al2O3陶瓷管內(nèi)的鎳鎘加熱線圈組成；其特征在于:敏感材料為a-Fe2O3多孔微米花，且由如下步驟制備得到，
[0008]①首先將0.10?0.188的？62(504)3.xH20(x^7?9)溶于20?40mL的無水乙醇中，并在40?60 0C水浴下保持攪拌直至溶液均一；
[0009]②將上述混合溶液在130?160°C下水熱反應(yīng)20?26小時，冷卻至室溫后將生成的沉淀用乙醇多次離心清洗，然后在室溫下干燥后再在600?700 °C下煅燒2?4小時，從而得至Ija-Fe2O3多孔微米花粉末。
[0010]本發(fā)明所述的一種基于a-Fe203多孔微米花敏感材料的丙酮氣體傳感器的制備方法，其步驟如下:
[0011]①將Ct-Fe2O3多孔微米花粉末與去離子水按質(zhì)量比3?5:1混合，研磨形成糊狀漿料，然后蘸取少量漿料均勻地涂覆在市售的外表面自帶有2個環(huán)形金電極的Al2O3陶瓷管表面，并使敏感材料完全覆蓋環(huán)形金電極，形成10?30μπι厚的敏感材料薄膜，陶瓷管的長為4?4.5mm，外徑為1.2?1.5mm,內(nèi)徑為0.8?1.0mm；
[0012]②在紅外燈下烘烤30?45分鐘，待敏感材料干燥后，把Al2O3陶瓷管在400?450°C下煅燒2?3小時;然后將電阻值為30?40 Ω的鎳鎘加熱線圈穿過Al2O3陶瓷管內(nèi)部作為加熱絲，最后將上述器件按照通用旁熱式氣敏元件進行焊接和封裝，從而得到C1-Fe2O3氧化物半導(dǎo)體丙酮傳感器。
[0013]本發(fā)明制備的基于Ct-Fe2O3多孔微米花敏感材料的丙酮氣體傳感器具有以下優(yōu)點:
[0014]1.制備方法簡單，無需添加表面活性劑及特殊溶劑，制備條件相對溫和。
[0015]2.制備的材料分散性好，疏松多孔;具有良好的重復(fù)性。對丙酮的靈敏度好，且材料的最佳工作溫度較低，同時響應(yīng)速度較快。在檢測丙酮含量方面有廣闊的應(yīng)用前景；
[0016]3.采用市售管式傳感器，器件工藝簡單，體積小，適于大批量生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0017]圖1:a-Fe203多孔微米花SEM形貌圖，其中(a)圖的放大倍數(shù)為1000倍，(b)圖為單一微米花的形貌，放大倍數(shù)為2000倍；
[0018]圖2 = Q-Fe2O3多孔微米花的XRD圖；
[0019]圖3:基于C1-Fe2O3多孔微米花敏感材料的丙酮傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖4:實施例1傳感器在不同工作溫度下對10ppm丙酮氣體的靈敏度曲線；
[0021 ]圖5:實施例1傳感器在210 °C下對10ppm丙酮氣體的響應(yīng)恢復(fù)曲線；
[0022 ]圖6:實施例1傳感器在210 °C下的靈敏度-丙酮濃度特性曲線。
[0023]如圖1所示，(a)圖中可以看出Ct-Fe2O3分等級結(jié)構(gòu)為花狀納米結(jié)構(gòu)，分散性良好；(b)圖中看出a-Fe203多孔微米花是由10?20nm左右的納米顆粒構(gòu)成，微米花的直徑約為2μm；
[0024]如圖2所示，Q-Fe2O3多孔微米花為純相Ct-Fe2O3結(jié)構(gòu)；對應(yīng)XRD譜圖JCPDS號為33-0664.
[0025]如圖3所示，器件由Al2O3陶瓷管I，半導(dǎo)體敏感材料2，鎳鎘合金線圈3，環(huán)形金電極4和鉑線5組成；
[0026]如圖4所示，實施例的最佳工作溫度分別為210°C，此時器件對10ppm丙酮的靈敏度為14.5;
[0027]如圖5所示，當(dāng)器件工作在最佳工作溫度210°C、丙酮氣體濃度為10ppm下，實施例均具有良好的重復(fù)性;其相應(yīng)速度較快，Is左右即可達到穩(wěn)定狀態(tài)。
[0028]如圖6所示，當(dāng)實施例器件在工作溫度為210°C下，器件的靈敏度隨著丙酮濃度的增加而增大，實施例對10、20、40、60、80、100和200??111丙酮的靈敏度分別為3.5、5.2、8.5、10.2、12.0、14.5和19.4，其檢測下限可達到1??111，對應(yīng)的靈敏度值為1.44.
[0029]注:器件的靈敏度(η型半導(dǎo)體)在測試還原性氣體中被定義為其在空氣中電阻值與在被測氣體中電阻值大小之比，即為S = Ra/Rg。在測試過程中，使用靜態(tài)測試系統(tǒng)進行測試。將器件置于50?80L的氣箱內(nèi)，向內(nèi)注射一定量的待測有機氣體，觀察并記錄其阻值變化，通過計算得到相應(yīng)的靈敏度數(shù)值。
【具體實施方式】
:
[0030]實施例:
[0031]用Ct-Fe2O3多孔微米花作為敏感材料制作丙酮傳感器，其具體的制作過程:
[0032]1.首先將0.12g的Fe2(SO4)3.χΗ20溶于30mL的無水乙醇當(dāng)中，并在50°C水浴下保持不斷地攪拌直至溶液均一；
[0033]2.將上述混合溶液在150°C下水熱反應(yīng)24小時，冷卻至室溫后將生成的沉淀用乙醇多次離心清洗，然后在室溫下干燥后再在650 0C下煅燒2小時，從而得到Q-Fe2O3多孔微米花粉末。其質(zhì)量約為30mg，比表面積為22111?-1;
[0034]3.將得到的C1-Fe2O3多孔微米花敏感材料粉末與去離子水按質(zhì)量比5:1混合，并研磨形成糊狀漿料，然后用筆刷蘸取少量漿料均勻地涂覆在市售的外表面自帶有2個環(huán)形金電極的Al2O3陶瓷管表面，形成30μπι厚的敏感材料薄膜，陶瓷管的長為4mm，外徑為1.2mm，內(nèi)徑為0.8mm，并使敏感材料完全覆蓋環(huán)形金電極；
[0035]4.在紅外燈下烘烤3分鐘，待敏感材料干燥后，把Al2O3陶瓷管在400°C下煅燒2小時;然后將電阻值為30 Ω的鎳鎘合金線圈穿過Al2O3陶瓷管內(nèi)部作為加熱絲，最后將上述器件按照通用旁熱式氣敏元件進行焊接和封裝，從而得到Ct-Fe2O3多孔微米花敏感材料的丙酮氣體傳感器。
【主權(quán)項】
1.一種基于Ct-Fe2O3多孔微米花敏感材料的丙酮氣體傳感器，由外表面帶有兩條平行、環(huán)狀且彼此分立的金電極的Al2O3陶瓷管襯底、涂覆在Al2O3陶瓷管外表面和金電極上的敏感材料、置于Al2O3陶瓷管內(nèi)的鎳鎘加熱線圈組成;其特征在于:敏感材料為Ct-Fe2O3多孔微米花，且由如下步驟制備得到， ①首先將0.10?0.188的？62(504)3.XH2O溶于20?40mL的無水乙醇中，并在40?60°C水浴下保持攪拌直至溶液均一； ②將上述混合溶液在130?160°C下水熱反應(yīng)20?26小時，冷卻至室溫后將生成的沉淀用乙醇多次離心清洗，然后在室溫下干燥后再在600?700°C下煅燒2?4小時，從而得到α-Fe2O3多孔微米花粉末。2.權(quán)利要求1所述的一種基于Ct-Fe2O3多孔微米花敏感材料的丙酮氣體傳感器的制備方法，其步驟如下: ①將Ct-Fe2O3多孔微米花粉末與去離子水按質(zhì)量比3?5:1混合，研磨形成糊狀漿料，然后蘸取少量漿料均勻地涂覆在外表面自帶有2個環(huán)形金電極的Al2O3陶瓷管表面，并使敏感材料完全覆蓋環(huán)形金電極，形成1?30μηι厚的敏感材料薄膜； ②在紅外燈下烘烤30?45分鐘，待敏感材料干燥后，把Al2O3陶瓷管在400?450°C下煅燒2?3小時;然后將電阻值為30?40 Ω的鎳鎘加熱線圈穿過Al2O3陶瓷管內(nèi)部作為加熱絲，最后將上述器件按照通用旁熱式氣敏元件進行焊接和封裝，從而得到基于Ct-Fe2O3多孔微米花敏感材料的丙酮氣體傳感器。
【文檔編號】G01N27/12GK106093137SQ201610439141
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月20日
【發(fā)明人】盧革宇, 劉暢, 孫鵬, 孫彥峰, 劉鳳敏, 馬健, 劉方猛
【申請人】吉林大學(xué)