一種花狀ZnO多孔微球的制備及應(yīng)用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體氣體傳感器氣敏多孔微球的制備及應(yīng)用方法，特別是涉及一種花狀ZnO多孔微球的制備及應(yīng)用方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，對可燃、有毒有害氣體以及室內(nèi)污染物的檢測、監(jiān)控、報警的研究越來越引起人們的高度重視。氣體傳感器作為一種氣體檢測工具已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、家庭安全、環(huán)境監(jiān)測和醫(yī)療等領(lǐng)域的氣體監(jiān)測和報警。因此，近年來高性能氣體傳感器成為國內(nèi)外研究的熱點。在氣體傳感器研究領(lǐng)域，一般認為理想的氣體傳感器應(yīng)該具有如下條件:選擇性好，靈敏度高，長期穩(wěn)定性好，響應(yīng)一恢復(fù)時間短，元件尺寸微小，使用壽命長，制造成本低，使用維護方便。金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器因具有上述特點，一直受到檢測領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。其中，氧化鋅(ZnO)氣體傳感器具有檢測范圍廣、化學(xué)穩(wěn)定性好，靈敏度高等特點，是目前研究較多、應(yīng)用范圍較廣的半導(dǎo)體氣體傳感器。
[0003]近年來，隨著納米科技的蓬勃發(fā)展與其向傳感領(lǐng)域的不斷滲透，納米級ZnO作為氣體敏感膜的研究正在興起。為了提高傳感器的靈敏度和工作溫度等性能，各種形貌的ZnO納米材料都被用于氣敏傳感器的研究。而在眾多ZnO納米/微米結(jié)構(gòu)中，具有分層、多孔結(jié)構(gòu)的Zn0，由于其具有高比表面積、高表面滲透性與質(zhì)量輕等優(yōu)點，具有了傳統(tǒng)塊體材料或一般納米結(jié)構(gòu)材料所不具備的特殊性質(zhì)，成為人們關(guān)注的一個亮點。目前，已有大量研究工作投入到分級多孔結(jié)構(gòu)納米或微米材料的制備當中，并在催化、太陽能電池、鋰離子電池、氣敏傳感器等領(lǐng)域表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。然而，如何實現(xiàn)分級多孔結(jié)構(gòu)的可控制備，精確控制實驗條件，降低制備成本，從而理性的合成特定結(jié)構(gòu)與形貌的產(chǎn)物仍然具有十分重要的意義。
[0004]易揮發(fā)有機化合物因其毒性、易爆炸性或易燃性等危害對環(huán)境和人類健康都有嚴重的威脅。特別是室內(nèi)污染氣體如甲醛、甲苯等揮發(fā)性有機物(VOC)正在威脅著人們的身體健康。它們在空氣中的釋放是一個緩慢的過程，一般可持續(xù)3-15年，被喻為人類健康的“隱形殺手”。目前，對揮發(fā)性有機物的常用檢測方法是參照國家標準采用固態(tài)萃取和氣相色譜結(jié)合分析的離線檢測方法，對操作人員有很高的技術(shù)要求，而且檢測設(shè)備價格昂貴，無法大規(guī)模應(yīng)用。因此，利用半導(dǎo)體金屬氧化物納米結(jié)構(gòu)作為氣敏傳感材料研究其對易揮發(fā)有機化合物的傳感性能具有重要的研究意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種花狀ZnO多孔微球的制備及應(yīng)用方法，本發(fā)明采用低溫水熱的方法，在溫和條件下合成了花狀ZnO多孔微球，并將該花狀ZnO多孔微球作為氣體敏感材料應(yīng)用于氣體傳感器，用于甲醛氣體的檢測。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
一種花狀ZnO多孔微球的制備方法，所述方法包括如下制備步驟: (1)用天平稱取Zn(N03)2.6H20，尿素，PEG20000溶于80mL去離子水中，將室溫下磁力攪拌30分鐘，配制成水熱合成前驅(qū)體反應(yīng)溶液；
(2)將水熱合成前驅(qū)體反應(yīng)溶液轉(zhuǎn)入內(nèi)襯聚四氟乙烯不銹鋼高壓反應(yīng)釜中，裝填度為80%密封;在100 °C溫度下保溫4-24小時，然后隨爐冷卻至室溫，得到反應(yīng)產(chǎn)物；
(3)將反應(yīng)后的溶液離心分離獲得反應(yīng)產(chǎn)物，再使用蒸餾水、無水乙醇反復(fù)洗滌；
(4)將洗滌后的反應(yīng)產(chǎn)物放入恒定溫度的干燥箱中，60°C，8小時進行干燥處理，干燥完成后冷卻；
(5)將干燥后的產(chǎn)物放入干凈的坩禍中置入馬弗爐中，400°C煅燒4小時，得到ZnO白色粉末，將其保存在干燥器中以待進行分析檢測。
[0007]一種花狀ZnO多孔微球的應(yīng)用方法，所述應(yīng)用方法為:該花狀ZnO多孔微球作為氣體敏感材料應(yīng)用于氣體傳感器。
[0008]本發(fā)明的優(yōu)點與效果是:
(I)本發(fā)明以Zn(NO3)2.6H20為鋅源，在低溫水熱條件下合成了由納米粒子組裝的花狀ZnO多孔微球。具有成本較低，可控性好，制備的材料純度高、結(jié)晶好、分散性好的優(yōu)點，適用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
[0009](2)本發(fā)明制得的花狀ZnO多孔微球因具有獨特的空間結(jié)構(gòu)，不僅增加材料的比表面積，同時還能構(gòu)筑發(fā)達的分級孔通道，使材料具有更好的滲透性，作為氣敏材料制備的氣體傳感器對甲醛表現(xiàn)出較高的靈敏度，良好的響應(yīng)一恢復(fù)特性和選擇性，以及穩(wěn)定性，在檢測環(huán)境中的有毒有害氣體方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0010]圖1(a)為實施例1制備的產(chǎn)物的X射線衍射譜圖；
圖1 (b)為實施例1制備的產(chǎn)物的掃描電子顯微鏡照片；
圖2(a)為實施例2制備的產(chǎn)物的掃描電子顯微鏡照片；
圖2 (b)為實施例3制備的產(chǎn)物的掃描電子顯微鏡照片；
圖2(c)為實施例4制備的產(chǎn)物的掃描電子顯微鏡照片；
圖2 (d)為實施例5制備的產(chǎn)物的掃描電子顯微鏡照片；
圖3(a)為甲醛傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3(b)為氣體傳感器對10 ppm甲醛氣體的靈敏度隨工作溫度變化曲線圖；
圖4 (a)為實施例1中氣體傳感器在250 0C時對不同濃度甲醛氣體的動態(tài)響應(yīng)曲線圖；
圖4(b)為實施例1中氣體傳感器對甲醛氣體濃度隨靈敏度變化曲線圖；
圖5為實施例1中氣體傳感器在250°C時對10 ppm不同還原性氣體的選擇性圖。
【具體實施方式】
[0011 ]下面結(jié)合附圖所示實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0012]本發(fā)明起始原料是廉價易得的Ζη(Νθ3)2.6Η2Ο為鋅源，通過低溫水熱反應(yīng)，經(jīng)過離心，洗滌，烘干和煅燒等處理。所制備的花狀ZnO多孔微球直徑為1-3 μπι，由納米粒子組裝而成。將ZnO多孔微球制備成氣體傳感器，因其獨特的空間結(jié)構(gòu)，對甲醛表現(xiàn)出較高的靈敏度，良好的響應(yīng)一恢復(fù)特性和選擇性。
[0013]花狀ZnO多孔微球制備方法，包括以下步驟:
步驟一:將一定量的Zn(NO3)2.6H20、尿素和PEG20000溶于80 mL去離子水中，室溫下磁力攪拌30分鐘，配制成水熱合成前驅(qū)體反應(yīng)溶液。
[0014]步驟二:將步驟一制得的前驅(qū)體反應(yīng)溶液轉(zhuǎn)入內(nèi)襯聚四氟乙烯不銹鋼高壓反應(yīng)釜中，裝填度為80%，密封。在100°C溫度下保溫4-24小時，然后隨爐冷卻至室溫，得到反應(yīng)產(chǎn)物。
[0015]步驟三:離心步驟二制得的反應(yīng)產(chǎn)物，并用蒸餾水、無水乙醇反復(fù)洗滌，之后進行干燥處理。
[0016]步驟四:將步驟三干燥后的產(chǎn)物置入馬弗爐中，400°C煅燒4小時，即得到花狀ZnO多孔微球。
[0017]本發(fā)明利用花狀ZnO多孔微球制備氣體傳感器的步驟:
步驟一:將花狀ZnO多孔微球加入水制成漿料，將其涂覆在帶有兩個金電極和四個鉑導(dǎo)線的氧化鋁陶瓷管外壁上。
[0018]步驟二:將鎳-鉻合金加熱絲穿過粘有樣品的氧化鋁陶瓷管，并將加熱絲與陶瓷管平行，使其遠離陶瓷管。
[0019]步驟三:將陶瓷管的四根導(dǎo)電線和加熱絲的兩端分別焊接在六腳底座上，制得氣體傳感器元件。
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