CN106093137A - 一种基于α‑Fe2O3多孔微米花敏感材料的丙酮气体传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于α‑Fe2O3多孔微米花敏感材料的丙酮气体传感器及其制备方法，属于半导体氧化物气体传感器技术领域。本发明结合了溶剂热法和煅烧法的新颖制备手段制备了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、基本单元尺寸较小等特点，有效监测丙酮气体。此外，本发明所采用的传感器结构是由市售的带有2个环形金电极的Al2O3绝缘陶瓷管、涂敷在环形金电极和Al2O3绝缘陶瓷管上的半导体敏感材料、以及穿过Al2O3绝缘陶瓷管的镍铬合金加热线圈组成。器件工艺简单，体积小，适于大批量生产，因而在检测微环境中丙酮含量方面有广阔的应用前景。

Description

一种基于α-Fe2O3多孔微米花敏感材料的丙酮气体传感器及其 制备方法
技术领域
本发明属于半导体氧化物气体传感器技术领域，具体涉及一种基于α-Fe2O3多孔微米花敏感材料的丙酮气体传感器及其制备方法。
背景技术
丙酮又名二甲基酮，是一种无色、透明、活泼、易燃、易挥发并有辛辣气味的液体。在工业上不仅可以作为生产***、塑料、橡胶的重要溶剂，还是用作合成烯酮、碘仿、环氧树脂等物质的重要原料。然而，类似于其他有机溶剂，它具有易燃、易挥发的特点，遇明火、高热极易燃烧***，其***极限为2.55％～12.8％。并且，丙酮不仅具有较大的火灾危险性，在低浓度时还对人的中枢神经***具有麻醉作用，使人体的神经***、肝脏、肾脏、胰腺等器官受损，在高浓度时甚至会导致人昏迷和死亡。因此，对于丙酮气体的检测具有十分重要的意义。
在种类众多的气体传感器中，以半导体氧化物为敏感材料的电阻型气体传感器具有灵敏度高、检测下限低、选择性好、响应和恢复速度快、制作方法简单、成本较低等优点，是目前应用最广泛的气体传感器之一。随着纳米科学与技术的发展，将气敏材料调控成纳米结构能够极大地提高材料的比表面积，增加活性位点，可以使气敏特性得到改善。
α-Fe2O3是一种宽禁带的n型半导体材料，由于其无毒，资源丰富等被广泛应用在气体传感方面。然而，尽管许多不同形貌、不同尺寸的α-Fe2O3材料被研制出来，但大多数α-Fe2O3在检测VOC(挥发性有机化合物)气体时，都表现出了较低的灵敏度和较高的检测温度。另外，由于它们的制作方法较为苛刻，所以利用简单方法制备分等级α-Fe2O3气敏材料，通过调控其尺寸及形貌特点，从而提升其气敏性能至关重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于α-Fe2O3多孔微米花敏感材料的丙酮气体传感器及其制备方法。
利用α-Fe2O3多孔微米花作为敏感材料，一方面α-Fe2O3作为典型的半导体气敏材料，具有无毒、资源丰富等特点被广泛研究；另一方面α-Fe2O3的分等级结构具有比表面积大，疏松多孔等特点，能够大幅提高气体与敏感材料的反应效率，进而提高了传感器的灵敏度。此外，组成α-Fe2O3多孔微米花的基本单元为小尺寸、10～20nm的α-Fe2O3纳米颗粒，纳米颗粒所独有的活性能够降低反应所需能量，从而可以降低器件的工作温度。同时，纳米颗粒间存在的堆积孔有利于气体的传输扩散，能够有效减少响应时间。本发明所采用的市售的管式结构传感器制作工艺简单，体积小，利于工业上批量生产，因此具有重要的应用价值。
本发明所述的基于α-Fe2O3多孔微米花敏感材料的丙酮气体传感器，由外表面带有两条平行、环状且彼此分立的金电极的Al2O3陶瓷管衬底、涂覆在Al2O3陶瓷管外表面和金电极上的敏感材料、置于Al2O3陶瓷管内的镍镉加热线圈组成；其特征在于：敏感材料为α-Fe2O3多孔微米花，且由如下步骤制备得到，
①首先将0.10～0.18g的Fe2(SO4)3·xH2O(x≈7～9)溶于20～40mL的无水乙醇中，并在40～60℃水浴下保持搅拌直至溶液均一；
②将上述混合溶液在130～160℃下水热反应20～26小时，冷却至室温后将生成的沉淀用乙醇多次离心清洗，然后在室温下干燥后再在600～700℃下煅烧2～4小时，从而得到α-Fe2O3多孔微米花粉末。
本发明所述的一种基于α-Fe2O3多孔微米花敏感材料的丙酮气体传感器的制备方法，其步骤如下：
①将α-Fe2O3多孔微米花粉末与去离子水按质量比3～5：1混合，研磨形成糊状浆料，然后蘸取少量浆料均匀地涂覆在市售的外表面自带有2个环形金电极的Al2O3陶瓷管表面，并使敏感材料完全覆盖环形金电极，形成10～30μm厚的敏感材料薄膜，陶瓷管的长为4～4.5mm，外径为1.2～1.5mm，内径为0.8～1.0mm；
②在红外灯下烘烤30～45分钟，待敏感材料干燥后，把Al2O3陶瓷管在400～450℃下煅烧2～3小时；然后将电阻值为30～40Ω的镍镉加热线圈穿过Al2O3陶瓷管内部作为加热丝，最后将上述器件按照通用旁热式气敏元件进行焊接和封装，从而得到α-Fe2O3氧化物半导体丙酮传感器。
本发明制备的基于α-Fe2O3多孔微米花敏感材料的丙酮气体传感器具有以下优点：
1.制备方法简单，无需添加表面活性剂及特殊溶剂，制备条件相对温和。
2.制备的材料分散性好，疏松多孔；具有良好的重复性。对丙酮的灵敏度好，且材料的最佳工作温度较低，同时响应速度较快。在检测丙酮含量方面有广阔的应用前景；
3.采用市售管式传感器，器件工艺简单，体积小，适于大批量生产。
附图说明
图1：α-Fe2O3多孔微米花SEM形貌图，其中(a)图的放大倍数为1000倍，(b)图为单一微米花的形貌，放大倍数为2000倍；
图2：α-Fe2O3多孔微米花的XRD图；
图3：基于α-Fe2O3多孔微米花敏感材料的丙酮传感器结构示意图；
图4：实施例1传感器在不同工作温度下对100ppm丙酮气体的灵敏度曲线；
图5：实施例1传感器在210℃下对100ppm丙酮气体的响应恢复曲线；
图6：实施例1传感器在210℃下的灵敏度-丙酮浓度特性曲线。
如图1所示，(a)图中可以看出α-Fe2O3分等级结构为花状纳米结构，分散性良好；(b)图中看出α-Fe2O3多孔微米花是由10～20nm左右的纳米颗粒构成，微米花的直径约为2μm；
如图2所示，α-Fe2O3多孔微米花为纯相α-Fe2O3结构；对应XRD谱图JCPDS号为33-0664.
如图3所示，器件由Al2O3陶瓷管1，半导体敏感材料2，镍镉合金线圈3，环形金电极4和铂线5组成；
如图4所示，实施例的最佳工作温度分别为210℃，此时器件对100ppm丙酮的灵敏度为14.5；
如图5所示，当器件工作在最佳工作温度210℃、丙酮气体浓度为100ppm下，实施例均具有良好的重复性；其相应速度较快，1s左右即可达到稳定状态。
如图6所示，当实施例器件在工作温度为210℃下，器件的灵敏度随着丙酮浓度的增加而增大，实施例对10、20、40、60、80、100和200ppm丙酮的灵敏度分别为3.5、5.2、8.5、10.2、12.0、14.5和19.4，其检测下限可达到1ppm，对应的灵敏度值为1.44.
注：器件的灵敏度(n型半导体)在测试还原性气体中被定义为其在空气中电阻值与在被测气体中电阻值大小之比，即为S＝Ra/Rg。在测试过程中，使用静态测试***进行测试。将器件置于50～80L的气箱内，向内注射一定量的待测有机气体，观察并记录其阻值变化，通过计算得到相应的灵敏度数值。
具体实施方式：
实施例：
用α-Fe2O3多孔微米花作为敏感材料制作丙酮传感器，其具体的制作过程：
1.首先将0.12g的Fe2(SO4)3·xH2O溶于30mL的无水乙醇当中，并在50℃水浴下保持不断地搅拌直至溶液均一；
2.将上述混合溶液在150℃下水热反应24小时，冷却至室温后将生成的沉淀用乙醇多次离心清洗，然后在室温下干燥后再在650℃下煅烧2小时，从而得到α-Fe2O3多孔微米花粉末。其质量约为30mg，比表面积为22m2g-1；
3.将得到的α-Fe2O3多孔微米花敏感材料粉末与去离子水按质量比5：1混合，并研磨形成糊状浆料，然后用笔刷蘸取少量浆料均匀地涂覆在市售的外表面自带有2个环形金电极的Al2O3陶瓷管表面，形成30μm厚的敏感材料薄膜，陶瓷管的长为4mm，外径为1.2mm，内径为0.8mm，并使敏感材料完全覆盖环形金电极；
4.在红外灯下烘烤3分钟，待敏感材料干燥后，把Al2O3陶瓷管在400℃下煅烧2小时；然后将电阻值为30Ω的镍镉合金线圈穿过Al2O3陶瓷管内部作为加热丝，最后将上述器件按照通用旁热式气敏元件进行焊接和封装，从而得到α-Fe2O3多孔微米花敏感材料的丙酮气体传感器。

Claims (2)

1.一种基于α-Fe2O3多孔微米花敏感材料的丙酮气体传感器，由外表面带有两条平行、环状且彼此分立的金电极的Al2O3陶瓷管衬底、涂覆在Al2O3陶瓷管外表面和金电极上的敏感材料、置于Al2O3陶瓷管内的镍镉加热线圈组成；其特征在于：敏感材料为α-Fe2O3多孔微米花，且由如下步骤制备得到，
①首先将0.10～0.18g的Fe2(SO4)3·xH2O溶于20～40mL的无水乙醇中，并在40～60℃水浴下保持搅拌直至溶液均一；
②将上述混合溶液在130～160℃下水热反应20～26小时，冷却至室温后将生成的沉淀用乙醇多次离心清洗，然后在室温下干燥后再在600～700℃下煅烧2～4小时，从而得到α-Fe2O3多孔微米花粉末。
2.权利要求1所述的一种基于α-Fe2O3多孔微米花敏感材料的丙酮气体传感器的制备方法，其步骤如下：
①将α-Fe2O3多孔微米花粉末与去离子水按质量比3～5：1混合，研磨形成糊状浆料，然后蘸取少量浆料均匀地涂覆在外表面自带有2个环形金电极的Al2O3陶瓷管表面，并使敏感材料完全覆盖环形金电极，形成10～30μm厚的敏感材料薄膜；
②在红外灯下烘烤30～45分钟，待敏感材料干燥后，把Al2O3陶瓷管在400～450℃下煅烧2～3小时；然后将电阻值为30～40Ω的镍镉加热线圈穿过Al2O3陶瓷管内部作为加热丝，最后将上述器件按照通用旁热式气敏元件进行焊接和封装，从而得到基于α-Fe2O3多孔微米花敏感材料的丙酮气体传感器。
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