CN106970117B - 一种基于电极表面原位生长纳米ZnO的NO2传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于电极表面原位生长纳米ZnO的NO2传感器，属于一维半导体金属氧化物材料的气体传感器技术领域。一种基于电极表面原位生长纳米ZnO的NO2传感器，其特征在于：所述传感器是通过在电极元件上原位生长ZnO纳米线阵列所得，其中，所述ZnO纳米线直径为80～100nm，长度为600nm～1μm，ZnO纳米线的晶体结构为六方相纤锌矿晶体结构。本发明所述气体传感器在工作温度250℃时获得对NO2气体的最大灵敏度，响应和恢复时间短，可逆性和选择性好，是具有良好发展前景的NO2传感器。
Description
技术领域
本发明属于一维半导体金属氧化物材料的气体传感器技术领域，具体涉及一种基于电极表面原位生长ZnO纳米线阵列的NO2传感器及其制备方法。
背景技术
二氧化氮(NO2)是一种有毒有害气体，主要来自于燃料燃烧、工业生产过程、城市汽车尾气等。NO2气体会导致酸雨和光化学烟雾的形成，过量时会危害人类健康、导致地表植被破坏。因此对NO2气体进行有效和实时监测，不仅可以有效地避免潜在安全事故的发生，同时还为后续的NO2气体处理提供了可靠的前期保障。
近年来，基于不同气敏材料和传导平台的气体传感器得到了飞速发展。常见的气敏材料包括：半导体金属氧化物、导电聚合物、高分子及其复合物、金属氧化物/高分子复合材料、以及其他新型材料等。这些气敏材料可以应用到不同的传输单元，如化学电阻式、表面声波式(SAW)、石英晶体微天平式(QCM)、光学传导式、场效应晶体管式等。在这些气体传感器中，基于半导体金属氧化物材料的化学电阻式气体传感器由于具有低生产成本、高灵敏度、快响应/恢复速度、使用简便等特点，得到了广泛的应用。目前市售的NO2传感器采用的大多是SnO2、ZnO或WO3基的纳米薄膜、纳米颗粒以及微米球结构作为气敏材料。相对于一维纳米材料，基于上述微观结构的气敏材料结构具有比表面积小、表面活性低等不足，从而导致灵敏度较低和响应/恢复时间较长。因此，研究人员将更多关注放在纳米管、纳米线、纳米棒等一维纳米材料及由其组成的一维材料阵列的合成及其应用上，而具有纳米线阵列的气敏材料，由于具有结构单一、比表面积和表面活性高等特点，使它成为最有发展前景的气敏材料之一。
ZnO是一种重要的宽禁带半导体材料，室温下其禁带宽度为3.37eV。基于ZnO 纳米线阵列的气体传感器对NO2气体有着优良的气敏性能。目前制备ZnO纳米线阵列的方法有：基于气-液-固(VLS)机制的催化反应生长法、模板法、化学气相沉积法、金属有机气相外延生长法、湿化学法以及化学溶液法等。这些方法通常是先在基板上合成ZnO纳米线阵列，随后在气敏元件制备时将基板上的ZnO纳米线阵列产物转移到电极表面上，最后再进行相应的气敏特性检测。然而，该制备流程工艺不仅导致ZnO 纳米线阵列产物的原始形貌发生破坏，而且也不能准确地反映ZnO纳米线阵列产物的原始气敏性能。
发明内容
针对目前制备ZnO纳米线阵列复杂的工艺及其在气敏特性方面存在的不足，本发明提供一种基于电极表面原位生长ZnO纳米线阵列的NO2传感器及其制备方法，目的是通过热分解法预先在电极表面形成ZnO种子层，再采用水热法在电极表面制备出具有结晶好、长径比高的ZnO纳米线阵列，最后经热处理及老化处理后直接将其组装成灵敏度高、可逆性好、响应/恢复迅速、选择性优良等优点的NO2传感器，以克服现有 NO2传感器存在的制备工艺复杂、响应/恢复较慢等不足。本发明制备所得NO2传感器，具有制备流程简化、生产成本降低、适用于工业批量化生产等优点。
一种基于电极表面原位生长纳米ZnO的NO2传感器，所述传感器是通过在电极元件上原位生长ZnO纳米线阵列所得，其中，
所述ZnO纳米线直径为80～100nm，长度为600nm～1μm，ZnO纳米线的晶体结构为六方相纤锌矿晶体结构。
上述技术方案中，所述ZnO纳米线阵列为NO2气体气敏材料。
上述技术方案中，所得ZnO纳米线形貌规则、表面光滑。
本发明所述NO2传感器中所述电极元件材料可为陶瓷或金；形状可为叉指、梳状、平面、管状等，如陶瓷管电极元件、平面金电极元件或叉指金电极元件。
上述技术方案中，所述ZnO纳米线阵列均匀地分布生长在电极元件表面。
进一步地，本发明所述NO2传感器按下述方法制备所得：
(1)将电极元件浸入浓度为0.001～0.01M的二水合醋酸锌的乙醇溶液中，浸渍5～20s后，于40～80℃温度下干燥10～30min；将此浸渍—干燥过程重复2～5次；
(2)将电极元件放置于管式电炉中，以10℃/min的加热速率升温至300～400℃并在空气中热处理10～40min，自然冷却至室温；
(3)将相同浓度的六水合硝酸锌水溶液和六次甲基四胺水溶液按体积比为1:1混合，室温下搅拌均匀，得混合溶液，其中，六水合硝酸锌水溶液和六次甲基四胺水溶液的浓度为0.01～0.1M；
(4)将混合溶液转移至聚四氟乙烯反应釜内胆中，随后将步骤(2)处理后所得的电极元件浸入该混合溶液中，密闭封装后将反应釜放置在干燥箱中，于80℃温度下反应12h；待反应结束并自然冷却至室温后，取出电极元件，水洗，再将电极元件转移至干燥箱中，于60℃温度下干燥30min；
(5)将干燥后的电极元件放置在管式电炉中，以10℃/min的加热速率升温至350～450℃并在空气中热处理2～8h；待电极元件自然冷却至室温后，将其焊接到气敏测试***的基座上并置于老化台上于350～450℃温度下老化6～24h，既得。
本发明的另一目的是提供上述NO2传感器的制备方法，所述方法包括下述工艺步骤：
(1)将电极元件浸入浓度为0.001～0.01M的二水合醋酸锌的乙醇溶液中，浸渍5～20s后，于40～80℃温度下干燥10～30min；将此浸渍—干燥过程重复2～5次；
(2)将电极元件放置于管式电炉中，以10℃/min的加热速率升温至300～400℃并在空气中热处理10～40min，自然冷却至室温；
(3)将相同浓度的六水合硝酸锌水溶液和六次甲基四胺水溶液按体积比为1:1混合，室温下搅拌均匀，得混合溶液，其中，六水合硝酸锌水溶液和六次甲基四胺水溶液的浓度为0.01～0.1M；
(4)将混合溶液转移至聚四氟乙烯反应釜内胆中，随后将步骤(2)处理后所得的电极元件浸入该混合溶液中，密闭封装后将反应釜放置在干燥箱中，于80℃温度下反应12h；待反应结束并自然冷却至室温后，取出电极元件，水洗，再将电极元件转移至干燥箱中，于60℃温度下干燥30min；
(5)将干燥后的电极元件放置在管式电炉中，以10℃/min的加热速率升温至350～450℃并在空气中热处理2～8h；待电极元件自然冷却至室温后，将其焊接到气敏测试***的基座上并置于老化台上于350～450℃温度下老化6～24h，既得。
上述技术方案中，步骤(1)中，所述干燥可于干燥箱中进行；所述电极元件在浸入二水合醋酸锌(Zn(CH3COO)2·2H2O)的乙醇溶液中前优选先进行水洗、乙醇洗和干燥。
上述技术方案中，步骤(5)中，所述气敏测试***和老化台上均可商业购得。
上述技术方案中，步骤(1)和(2)处理后得电极元件表面附有一层ZnO晶种层的电极元件。
上述技术方案中，步骤(3)中，优选将相同浓度的六水合硝酸锌水溶液和六次甲基四胺水溶液按体积比为1:1混合，室温下磁力搅拌3min，得混合溶液，其中，六水合硝酸锌水溶液的浓度为0.01～0.1M，六次甲基四胺水溶液的浓度为0.01～0.1M。
上述技术方案中，步骤(3)和(4)中，优选各配置25mL浓度为0.01～0.1M 的六水合硝酸锌水溶液和六次甲基四胺水溶液，并将两者混合均匀得混合溶液；将混合溶液置于200mL聚四氟乙烯反应釜内胆中，随后将步骤(2)处理后所得的电极元件浸入该混合溶液中，密闭封装后将反应釜放置在干燥箱中，于80℃温度下反应12h；待反应结束并自然冷却至室温后，取出电极元件，水洗，再将电极元件转移至干燥箱中，于60℃温度下干燥30min；
本发明所述的基于电极表面原位生长ZnO纳米线阵列气敏材料的气体传感器元件的热处理及老化处理，目的是为了保持气敏材料的结构和气体传感器性能的稳定。
与现有制备技术相比，本发明的特点和有益效果是：
本发明提供了一种基于电极表面原位生长ZnO纳米线阵列的NO2传感器及其制备方法。从制备方法上来看，本发明首先通过热分解法在电极表面制备种子层，随后采用水热法在电极表面制备出具有结晶好、长径比高、表面活性强的ZnO纳米线阵列，最后经热处理及老化处理后制备成气体传感器。本发明方法制备简单，操作方便，整个流程易于实现，有效地解决了传统气体传感器制备工艺复杂的问题，且有利于大规模工业化生产。通过该方法制备的气体传感器在工作温度250℃时获得对NO2气体的最大灵敏度，响应和恢复时间短，可逆性和选择性好，是具有良好发展前景的NO2传感器。
附图说明
图1为实施例1～3中的基于陶瓷管电极元件表面原位生长ZnO纳米线阵列的NO2传感器元件结构示意图；其中：1：陶瓷管；2：金电极；3：铂金引线；4：气敏材料层；
图2为实施例1中的ZnO纳米线阵列的X射线衍射图谱；
图3为实施例1中(a)电极元件和(b)ZnO纳米线阵列的扫描电子显微镜照片；
图4为实施例1中的单根ZnO纳米线的透射电子显微镜照片；
图5为实施例1中的气体传感器在工作温度250℃时对不同浓度NO2气体的动态响应曲线图；
图6为实施例1中的气体传感器在工作温度250℃时灵敏度与NO2气体浓度之间的关系图；
图7为实施例1中的气体传感器在工作温度250℃时对不同浓度被检测气体的灵敏度；
图8为实施例4中的基于平面金电极表面原位生长ZnO纳米线阵列的NO2传感器元件结构示意图；其中：5：铂金引线；6：陶瓷基板；7：气敏材料层；8：金电极；9：加热电阻；
图9为实施例5中的基于叉指金电极表面原位生长ZnO纳米线阵列的NO2传感器元件结构示意图；其中：10：陶瓷基板；11：加热电阻；12：气敏材料层；13：叉指金电极；14：铂金引线。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂、材料及设备，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
下述实施例中所述气敏测试***为炜盛科技WS-30A型气敏测试***；所述老化台为炜盛科技TS-60型老化台。
实施例1
基于陶瓷管电极元件表面原位生长ZnO纳米线阵列的NO2传感器元件，其结构示意图如图1所示，由陶瓷管、金电极、铂金引线和气敏材料层组成。金电极覆在陶瓷管表面，铂金引线焊接在金电极表面，气敏材料生长在整个陶瓷管和金电极表面。所述的气敏材料成分为ZnO纳米线阵列，其均匀地分布生长在电极元件表面，ZnO纳米线形貌规则、表面光滑，且具有单一的六方相纤锌矿晶体结构，直径为80～100nm，长度为600nm～1μm，长径比高。
一种基于陶瓷电极表面原位生长ZnO纳米线阵列气敏材料的NO2传感器及其制备方法，按照以下步骤进行：
(1)首先将电极元件分别用去离子水和无水乙醇清洗3次，并用热风吹干；
(2)配制0.005M的二水合醋酸锌(Zn(CH3COO)2·2H2O)的乙醇溶液20mL；
(3)将步骤(1)中的电极元件浸入步骤(2)中的Zn(CH3COO)2·2H2O的乙醇溶液，浸渍10s后，取出电极元件并将其转移至干燥箱中，于60℃温度下干燥15min，将此浸渍—干燥过程重复3次；
(4)将步骤(3)中的电极元件放置在管式电炉中，以10℃/min的升温速率升温至350℃并在空气中热处理20min，随后关闭管式电炉电源，让其自然冷却至室温，得表面含有ZnO种子层的电极元件；
(5)配制0.05M的六水合硝酸锌(Zn(NO3)2·6H2O)和0.05M的六次甲基四胺 (HMTA)水溶液各25mL；随后，将两种溶液混合，室温下磁力搅拌3min；
(6)将(5)中配置的混合溶液转移至200mL的聚四氟乙烯反应釜内胆中，随后将(4)中的含ZnO种子层的电极元件浸入该混合溶液中，密闭封装后将反应釜放置在干燥箱中，于80℃温度下反应12h；待反应结束并自然冷却至室温后，取出电极元件，用去离子水清洗3次，再将电极元件转移至干燥箱中，于60℃温度下干燥30min；
(7)将干燥后的电极元件放置在管式电炉中，以10℃/min的升温速率升温至400℃并在空气中热处理4h；待电极元件自然冷却至室温后，将加热丝穿过电极元件的陶瓷管，焊接加热丝和铂金引线到气敏测试***的元件基座上，并置于老化台上于400℃温度下老化12h，最终获得基于陶瓷管电极元件表面原位生长ZnO纳米线阵列的NO2传感器。
基于陶瓷管电极元件表面原位生长ZnO纳米线的X射线衍射图谱如图2所示。结果表明，在电极表面所生成的产物为单一的六方相纤锌矿晶体结构，且无任何其他杂质的衍射峰，表明结晶状况优良。电极元件和在其表面原位生长的ZnO纳米线阵列的扫描电子显微镜照片分别如图3(a)和图3(b)所示。从图3(a)中可以清楚的看出该电极元件由陶瓷管、金电极、铂金引线和气敏材料层组成。从图3(b)中可知，ZnO 纳米线均匀规则的呈阵列状分布在电极元件的表面，纳米线直径为80～100nm，长度为600nm～1μm，长径比高。单根ZnO纳米线的透射电子显微镜照片如图4所示，从图中可以看出ZnO纳米线表面光滑规则，直径和长度分别约为80nm和1μm，与扫描电子显微镜图片的结果相符。
基于ZnO纳米线阵列的气体传感器在工作温度250℃时对不同浓度NO2气体的动态响应曲线如图5所示。从图5中可以看出，该气体传感器在工作温度250℃时对NO2气体具有较快的响应/恢复时间，在连续通入1～30ppm不同浓度NO2气体的反应周期里，该气体传感器均具有良好的响应可逆性，而且电阻变化随着NO2气体浓度的增加呈现递增的趋势，表明灵敏度随着NO2气体浓度的增加而增加，其相对应的灵敏度与NO2气体浓度之间的关系如图6所示。
基于ZnO纳米线阵列的气体传感器在工作温度250℃时对不同浓度被检测气体的灵敏度如图7所示，其中的被检测气体为1000ppm的二氧化硫(SO2)、氢气(H2)、氨气(NH3)和500ppm的甲醛(HCHO)、甲醇(CH3OH)、二甲苯(C8H10)，以及5ppm 的NO2气体。从图中可以看出，基于ZnO纳米线阵列的气体传感器对NO2气体的灵敏度最高，选择性最好，表明在复杂气体环境下对NO2气体具有良好的鉴别效果以及实际应用优势。
实施例2
基于陶瓷管电极元件表面原位生长ZnO纳米线阵列的NO2传感器元件，其结构示意图如图1所示，由陶瓷管、金电极、铂金引线和气敏材料层组成。金电极覆在陶瓷管表面，铂金引线焊接在金电极表面，气敏材料生长在整个陶瓷管和金电极表面。所述的气敏材料成分为ZnO纳米线阵列，其均匀地分布生长在电极元件的表面，ZnO纳米线形貌规则、表面光滑，且具有单一的六方相纤锌矿晶体结构，直径为80～100nm，长度为600nm～1μm，长径比高。
一种基于陶瓷管电极元件表面原位生长ZnO纳米线阵列气敏材料的NO2传感器及其制备方法，按照以下步骤进行：
(1)首先将电极元件分别用去离子水和无水乙醇清洗3次，并用热风吹干；
(2)配制0.001M的二水合醋酸锌(Zn(CH3COO)2·2H2O)的乙醇溶液20mL；
(3)将步骤(1)中的电极元件浸入步骤(2)中的Zn(CH3COO)2·2H2O的乙醇溶液，浸渍20s后，取出电极元件并将其转移至干燥箱中，于40℃温度下干燥30min，将此浸渍—干燥过程重复5次；
(4)将步骤(3)中的电极元件放置在管式电炉中，以10℃/min的加热速率升温至300℃并在空气中热处理40min，随后关闭管式电炉电源，让其自然冷却至室温，得表面含有ZnO种子层的电极元件；
(5)配制0.01M的六水合硝酸锌(Zn(NO3)2·6H2O)和0.01M的六次甲基四胺 (HMTA)水溶液各25mL；随后，将该两种溶液混合，室温下磁力搅拌3min；
(6)将(5)中配置的混合溶液转移至200mL的聚四氟乙烯反应釜内胆中，随后将(4)中的含ZnO种子层的电极元件浸入该混合溶液中，密闭封装后将反应釜放置在干燥箱中，于80℃温度下反应12h；待反应结束并自然冷却至室温后，取出电极元件，用去离子水清洗3次，再将电极元件转移至干燥箱中，于60℃温度下干燥30min；
(7)将干燥后的电极元件放置在管式电炉中，以10℃/min的加热速度升温至350℃并在空气中热处理8h；待电极元件自然冷却至室温后，将加热丝穿过电极元件的陶瓷管，焊接加热丝和铂金引线到气敏测试***的元件基座上，并置于老化台上于350℃温度下老化6h，最终获得基于陶瓷管电极元件表面原位生长ZnO纳米线阵列的NO2传感器。
经检测，本实施例制备的基于ZnO纳米线阵列的NO2传感器在工作温度100～ 350℃条件下对NO2气体具有良好的气敏性能。
实施例3
基于陶瓷管电极元件表面原位生长ZnO纳米线阵列的NO2传感器元件，其结构示意图如图1所示，由陶瓷管、金电极、铂金引线和气敏材料层组成。金电极覆在陶瓷管表面，铂金引线焊接在金电极表面，气敏材料生长在整个陶瓷管和金电极表面。所述的气敏材料成分为ZnO纳米线阵列，其均匀地分布生长在电极元件的表面，ZnO纳米线形貌规则、表面光滑，且具有单一的六方相纤锌矿晶体结构，直径为80～100nm，长度为600nm～1μm，长径比高。
一种基于陶瓷管电极元件表面原位生长ZnO纳米线阵列气敏材料的NO2传感器及其制备方法，按照以下步骤进行：
(1)首先将电极元件分别用去离子水和无水乙醇清洗3次，并用热风吹干；
(2)配制0.01M的二水合醋酸锌(Zn(CH3COO)2·2H2O)的乙醇溶液20mL；
(3)将步骤(1)中的电极元件浸入步骤(2)中的Zn(CH3COO)2·2H2O的乙醇溶液，浸渍5s后，取出电极元件并将其转移至干燥箱中，于80℃温度下干燥10min，将此浸渍—干燥过程重复2次；
(4)将步骤(3)中的电极元件放置在管式电炉中，以10℃/min的加热速率升温至400℃并在空气中热处理10min，随后关闭管式电炉电源，让其自然冷却至室温，得表面含有ZnO种子层的电极元件；
(5)配制0.1M的六水合硝酸锌(Zn(NO3)2·6H2O)和0.1M六次甲基四胺(HMTA) 水溶液各25mL；随后，将该两种溶液混合，室温下磁力搅拌3min；
(6)将(5)中配置的混合溶液转移至200mL的聚四氟乙烯反应釜内胆中，随后将(4)中的含ZnO种子层的电极元件浸入该混合溶液中，密闭封装后将反应釜放置在干燥箱中，于80℃温度下反应12h；待反应结束并自然冷却至室温后，取出电极元件，用去离子水清洗3次，再将电极元件转移至干燥箱中，于60℃温度下干燥30min；
(7)将干燥后的电极元件放置在管式电炉中，以10℃/min的加热速率升温至450℃并在空气中热处理2h；待电极元件自然冷却至室温后，将加热丝穿过电极元件的陶瓷管，焊接加热丝和铂金引线于气敏测试***的元件基座上，并置于老化台上于450℃温度下老化24h，最终获得基于陶瓷管电极元件表面原位生长ZnO纳米线阵列的NO2传感器。
经检测，本实施例制备的基于ZnO纳米线阵列的NO2传感器在100～350℃条件下对NO2气体具有良好的气敏性能。
实施例4
基于平面金电极表面原位生长ZnO纳米线阵列的NO2传感器元件，其电极元件正面结构示意图如图8(a)所示，由陶瓷基板、金电极、铂金引线和气敏材料层组成，金电极覆在陶瓷基板表面，铂金引线焊接在金电极上面，气敏材料生长在整个陶瓷基板和金电极表面。电极元件背面(如图8(b)所示)由加热电阻和铂金引线组成。所述的气敏材料成分为ZnO纳米线阵列，其均匀地分布生长在电极元件的正面，ZnO纳米线形貌规则、表面光滑，且具有单一的六方相纤锌矿晶体结构，直径为80～100nm，长度为600nm～1μm，长径比高。
一种基于平面金电极表面原位生长ZnO纳米线阵列气敏材料的NO2传感器及其制备方法，按照以下步骤进行：
(1)首先将电极元件分别用去离子水和无水乙醇清洗3次，并用热风吹干；
(2)配制0.005M的二水合醋酸锌(Zn(CH3COO)2·2H2O)的乙醇溶液20mL；
(3)将步骤(1)中的电极元件浸入步骤(2)中的Zn(CH3COO)2·2H2O的乙醇溶液，浸渍10s后，取出电极元件并将其转移至干燥箱中，于60℃温度下干燥15min，将此浸渍—干燥过程重复3次；
(4)将步骤(3)中的电极元件放置在管式电炉中，以10℃/min的加热速率升温至350℃并在空气中热处理20min，随后关闭管式电炉电源，让其自然冷却至室温，得表面含有ZnO种子层的电极元件；
(5)配制0.05M的六水合硝酸锌(Zn(NO3)2·6H2O)和0.05M的六次甲基四胺 (HMTA)水溶液各25mL；随后，将两种溶液混合，室温下磁力搅拌3min；
(6)将(5)中配置的混合溶液移入200mL的聚四氟乙烯反应釜内胆中，随后将 (4)中的含ZnO种子层的电极元件浸入该混合溶液中，密闭封装后将反应釜放置在干燥箱中，于80℃温度下反应12h；待反应结束并自然冷却至室温后，取出电极元件，用去离子水清洗3次，再将电极元件转移至干燥箱中，于60℃温度下干燥30min；
(7)将干燥后的电极元件放置在管式电炉中，以10℃/min的加热速率升温至400℃并在空气中热处理4h；待电极元件自然冷却至室温后，将电极元件焊接到气敏测试***的元件基座上，并置于老化台上于400℃温度下老化12h，最终获得基于平面金电极表面原位生长ZnO纳米线阵列的NO2传感器。
经检测，本实施例制备的基于ZnO纳米线阵列的NO2传感器在100～350℃条件下对NO2气体具有良好的气敏性能。
实施例5
基于叉指金电极表面原位生长ZnO纳米线阵列的NO2传感器元件，其结构示意图如图9所示，电极元件正面由陶瓷基板、叉指金电极、铂金引线和气敏材料层组成，其中叉指金电极覆在陶瓷基板正面，铂金引线焊接在叉指金电极上面、加热电阻覆在陶瓷基板背面，气敏材料生长在陶瓷基板和叉指金电极表面。所述的气敏材料成分为ZnO 纳米线阵列，其均匀地分布生长在电极元件的正面，ZnO纳米线形貌规则、表面光滑，且具有单一的六方相纤锌矿晶体结构，直径为80～100nm，长度为600nm～1μm，长径比高。
一种基于叉指金电极表面原位生长ZnO纳米线阵列气敏材料的NO2传感器及其制备方法，按照以下步骤进行：
(1)首先将电极元件分别用去离子水和酒精清洗3次，并用热风吹干；
(2)配制0.005M的二水合醋酸锌(Zn(CH3COO)2·2H2O)的乙醇溶液20mL；
(3)将步骤(1)中的电极元件浸入步骤(2)中的Zn(CH3COO)2·2H2O的乙醇溶液，浸渍10s后，取出电极元件并将其转移至干燥箱中，于60℃温度下干燥15min，将此浸渍—干燥过程重复3次；
(4)将步骤(3)中的电极元件放置在管式电炉中，以10℃/min的加热速率升温至350℃并在空气中热处理20min，随后关闭管式电炉电源，让其自然冷却至室温，得表面含有ZnO种子层的电极元件；
(5)配制0.05M的六水合硝酸锌(Zn(NO3)2·6H2O)和0.05M的六次甲基四胺 (HMTA)水溶液各25mL；随后，将两种溶液混合，室温下磁力搅拌3min；
(6)将(5)中配置的混合溶液移入200mL的聚四氟乙烯反应釜内胆中，随后将 (4)中的含ZnO种子层的电极元件浸入该混合溶液中，密闭封装后将反应釜放置在干燥箱中，于80℃温度下反应12h；待反应结束并自然冷却至室温后，取出电极元件，用去离子水清洗3次，再将电极元件转移至干燥箱中，于60℃温度下干燥30min；
(7)将干燥后的电极元件放置在管式电炉中，以10℃/min的加热速率升温至400℃并在空气中热处理4h；待电极元件自然冷却至室温后，将电极元件焊接到气敏测试***的元件基座上，并置于老化台上于400℃温度下老化12h，最终获得基于叉指金电极表面原位生长ZnO纳米线阵列的NO2传感器。
经检测，本实施例制备的基于ZnO纳米线阵列的NO2传感器在100～350℃条件下对NO2气体具有良好的气敏性能。
Claims (6)
1.一种基于电极表面原位生长纳米ZnO的NO2传感器，其特征在于：所述传感器是通过在电极元件上原位生长ZnO纳米线阵列所得，其中，
所述ZnO纳米线直径为80～100nm，长度为600nm～1μm，ZnO纳米线的晶体结构为六方相纤锌矿晶体结构；
所述NO2传感器按下述方法制备所得：
(1)将电极元件浸入浓度为0.001～0.01M的二水合醋酸锌的乙醇溶液中，浸渍5～20s后，于40～80℃温度下干燥10～30min；将此浸渍—干燥过程重复2～5次；
(2)将电极元件放置于管式电炉中，以10℃/min的加热速率升温至300～400℃并在空气中热处理10～40min，自然冷却至室温；
(3)将相同浓度的六水合硝酸锌水溶液和六次甲基四胺水溶液按体积比为1:1混合，室温下搅拌均匀，得混合溶液，其中，六水合硝酸锌水溶液和六次甲基四胺水溶液的浓度为0.01～0.1M；
(4)将混合溶液转移至聚四氟乙烯反应釜内胆中，随后将步骤(2)处理后所得的电极元件浸入该混合溶液中，密闭封装后将反应釜放置在干燥箱中，于80℃温度下反应12h；待反应结束并自然冷却至室温后，取出电极元件，水洗，再将电极元件转移至干燥箱中，于60℃温度下干燥30min；
(5)将干燥后的电极元件放置在管式电炉中，以10℃/min的加热速率升温至350～450℃并在空气中热处理2～8h；待电极元件自然冷却至室温后，将其焊接到气敏测试***的基座上并置于老化台上于350～450℃温度下老化6～24h，既得。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述ZnO纳米线阵列为气敏材料，其均匀地分布生长在电极元件表面。
3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述电极元件的材质为陶瓷或金。
4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述电极元件为管状、平面电极元件。
5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述电极元件为管状陶瓷电极元件、平面金电极元件。
6.权利要求1所述传感器的制备方法，其特征在于：包括下述工艺步骤：
(1)将电极元件浸入浓度为0.001～0.01M的二水合醋酸锌的乙醇溶液中，浸渍5～20s后，于40～80℃温度下干燥10～30min；将此浸渍—干燥过程重复2～5次；
(2)将电极元件放置于管式电炉中，以10℃/min的加热速率升温至300～400℃并在空气中热处理10～40min，自然冷却至室温；
(3)将相同浓度的六水合硝酸锌水溶液和六次甲基四胺水溶液按体积比为1:1混合，室温下搅拌均匀，得混合溶液，其中，六水合硝酸锌水溶液和六次甲基四胺水溶液的浓度为0.01～0.1M；
(4)将混合溶液转移至聚四氟乙烯反应釜内胆中，随后将步骤(2)处理后所得的电极元件浸入该混合溶液中，密闭封装后将反应釜放置在干燥箱中，于80℃温度下反应12h；待反应结束并自然冷却至室温后，取出电极元件，水洗，再将电极元件转移至干燥箱中，于60℃温度下干燥30min；
(5)将干燥后的电极元件放置在管式电炉中，以10℃/min的加热速率升温至350～450℃并在空气中热处理2～8h；待电极元件自然冷却至室温后，将其焊接到气敏测试***的基座上并置于老化台上于350～450℃温度下老化6～24h，既得；
所述ZnO纳米线直径为80～100nm，长度为600nm～1μm，ZnO纳米线的晶体结构为六方相纤锌矿晶体结构。
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