CN110806431B - 基于原位聚合二元纳米复合材料的氨气传感器制备方法及应用 - Google Patents

基于原位聚合二元纳米复合材料的氨气传感器制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于原位聚合二元纳米复合材料的氨气传感器制备方法及应用，涉及纳米气体传感器技术领域，制备步骤包括：1)采用燃烧法制备CuFe2O4纳米材料；2)原位聚合法制备PANI‑CuFe2O4纳米复合材料；3)将PANI‑CuFe2O4溶液用交叉指状电极浇铸在环氧基板上形成传感膜。其具有良好的响应性和选择性，氨传感器响应速度快，恢复时间短，明显优于单一材料膜。

Description

基于原位聚合二元纳米复合材料的氨气传感器制备方法及 应用
技术领域
本发明涉及纳米气体传感器技术领域，尤其涉及一种基于原位聚合二元纳米复合材料的氨气传感器制备方法及应用。
背景技术
工业近年来快速发展，但废气污染愈发严重。NH3作为一种碱性污染气体，一旦泄露能够对人类生活各领域进行污染。即使是低浓度的NH3也会对人体健康产生严重影响，例如对眼、呼吸道、皮肤进行刺激，头晕、恶心和疲劳等。
因此，为了人类健康和环境保护，迫切需要开发高性价比、高灵敏度、高选择性的NH3气体传感器。在金属氧化物半导体中，分析气体的电学性质会发生显著变化，因为在空气中氨气气体和预先吸附的环境氧之间存在可逆的相互作用。但在响应性、稳定性、线性和灵敏度等方面还有待提高。
现有技术表明具有化学上明显尖晶石结构的二元氧化物半导体的传感性能优于单氧化物半导体，并通过计算大量的尖晶石氧化物，研究其控制尖晶石氧化物掺杂的主要趋势。然而，尖晶石铁氧体中的CuFe2O4由于具有独特的磁性和介电性，难于直接应用于器件中，在NH3气体传感方面现有技术并未详细研究。而纯铜基传感器又具有选择性差、灵敏度低、功耗高等缺点，限制了其在NH3气体检测中的应用。
改善CuFe2O4气体传感材料性能的有效方法主要是采用合适的材料对其进行改性。导电聚合物聚苯胺(PANI)是一种低成本的传感材料，具有灵敏的气体检测化学性能。其具有快速响应、高灵敏度等优异性能，但是在传感器对氨的响应方面仍有很大的改进空间。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的问题，提供了一种基于原位聚合二元纳米复合材料的氨气传感器制备方法及应用，其具有良好的响应性和选择性，氨传感器响应速度快，恢复时间短，明显优于单一材料膜。
本发明由此提供一种基于原位聚合PANI-CuFe2O4二元纳米复合材料的NH3气体传感器制备方法，制备步骤包括：
1)以Cu(NO3)2·3H2O和Fe(NO3)3·9H2O作为阳离子前体，以柠檬酸作为燃料，采用燃烧法制备CuFe2O4纳米材料；
2)原位聚合法制备PANI-CuFe2O4纳米复合材料：①将苯胺混入酸溶液中搅拌；②将过硫酸铵和CuFe2O4纳米材料加入水中搅拌，然后将两种溶液混合，搅拌均匀；③(0-5)℃温度下搅拌1-3h，溶液颜色由白色逐渐变为绿色，PANI-CuFe2O4纳米复合材料逐渐形成；
3)将PANI-CuFe2O4溶液用交叉指状电极(IDE)浇铸在环氧基板上形成传感膜，在60℃真空干燥4小时后得到PANI-CuFe2O4气体传感器。
优选的，在步骤1)中燃烧法制备CuFe2O4纳米材料步骤包括：将1.21gCu(NO3)2·3H2O和4.04g Fe(NO3)3·9H2O作为阳离子前体溶解在装有80ml蒸馏水的烧杯中，然后在60℃下搅拌2小时；以3.756g柠檬酸为燃料，加入上述溶液，60℃搅拌2小时；然后把溶液加热到80℃使水蒸发；最后，烧杯在马沸炉中以400℃加热2小时以去除柠檬酸，得到粉状CuFe2O4纳米材料。
本发明还提供一种上述制备方法所得PANI-CuFe2O4气体传感器在氨气检测中的应用。
优选的，将原位聚合制备的PANI-CuFe2O4气体传感器用于气体瞬态响应检测、对NH3的响应性能检测、响应恢复曲线检测，以及对NH3的气体浓度函数响应检测。
优选的，在PANI-CuFe2O4气体传感器的NH3气体检测中，原位聚合PANI-CuFe2O4传感器的实时电阻呈单调下降趋势；分别暴露于5ppm、30ppm、50ppm的NH3和空气中3次，循环测量过程无明显变化；和/或
PANI-CuFe2O4气体传感器对NH3的响应高于甲醛、乙醇、丙酮、甲醇、苯和甲烷气体；在浓度为5ppm、20ppm和50ppm的NH3环境中2个月以内传感器误差稳定。
进一步，PANI-CuFe2O4纳米复合材料在NH3检测中，p-n异质结的相互作用和二元纳米复合材料的协同效应共同发挥作用。
优选的，在PANI-CuFe2O4传感器的NH3检测中，PANI呈现p型半导体的特征；由于原位氧化聚合，PANI吸收质子并形成N-H+键；当接触NH3气体时，传感器吸附NH3分子，然后PANI表面的N-H基团与NH3反应生成NH3，从而利于NH3气体的吸附；该可逆过程概括为
Figure BDA0002248541870000041
优选的，传感器暴露在空气中，NH4 +能够分解为NH3气体和一个质子，空气中的氧分子首先通过化学吸附从纳米复合材料的导电带中捕获电子，吸附在纳米复合材料表面，导致空穴浓度降低，进而增加空气中的电阻；NH3与传感器表面接触时，化学吸附的氧分子与NH3反应，电子脱离纳米复合材料的导电带，导致损耗层的减少；表面氧与氨气的反应方程式如下：
O2(gas)→O2(ads) (1)
O2(gas)+e-→O2 - (ads) (2)
NH3(gas)→NH3(ads) (3)
4NH3(ads)+3O2 -→2N2+6H2O+3e- (4)
2NH4 ++3O2 -→2NO+4H2O+e- (5)。
其中，gas是指气体，ads是指吸附质状态。
优选的，p型PANI纳米胶囊附着在n型的CuFe2O4纳米球上，形成p-n结；然后PANI-CuFe2O4异质结建立耗尽区电子场；在NH3气体中暴露时，PANI的电子从耗尽层移出，CuFe2O4的空穴向相反方向移动，导致平衡点的耗尽层减小，电阻减小；在这个过程中，p-n结通过将氨浓度转换成阻抗变化来放大信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
提出了一种基于原位聚合PANI-CuFe2O4纳米复合材料的高质量NH3传感器。采用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)照片表征显示，纳米氧化铜具有纳米微球结构，而PANI纳米胶囊呈棒状。在室温下考察了PANI-CuFe2O4传感器对不同浓度NH3的NH3气体传感性能。实验结果表明，该传感器响应速度快，恢复时间短。PANI-CuFe2O4纳米复合材料具有优异的氨敏性，且主要由于p-n异质结的相互作用和二元纳米复合材料的协同效应所致。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。本发明基于原位聚合PANI-CuFe2O4二元纳米复合材料的NH3气体传感器制备方法附图中：
图1实施例基于原位聚合PANI-CuFe2O4二元纳米复合材料的NH3气体传感器制备方法工艺过程示意图；
图2实施例基于原位聚合PANI-CuFe2O4二元纳米复合材料的NH3气体传感器制备方法所得材料的扫描电镜图:(a)PANI，(b)CuFe2O4，(c)-(d)PANI-CuFe2O4。
图3实施例基于原位聚合PANI-CuFe2O4二元纳米复合材料的NH3气体传感器制备方法所得材料的XRD图谱：PANI、CuFe2O4和PANI-CuFe2O4；
图4实施例基于原位聚合PANI-CuFe2O4二元纳米复合材料的NH3气体传感器制备方法所得PANI-CuFe2O4的XPS谱:(a)测量谱，(b)Fe2p谱，(c)Cu 2p谱，(d)N 1s谱，(e)O 1s谱，(f)c 1s谱。
图5实施例基于原位聚合PANI-CuFe2O4二元纳米复合材料的NH3气体传感器制备方法所得材料的(a)CuFe2O4和(b)PANI的TEM图像，(c)PANI的HRTEM图像和(d)PANI-CuFe2O4的SAED选区电子衍射图形。
图6实施例基于原位聚合PANI-CuFe2O4二元纳米复合材料的NH3气体传感器制备方法所得PANI、CuFe2O4和PANI-CuFe2O4的拉曼光谱图。
图7实施例基于原位聚合PANI-CuFe2O4二元纳米复合材料的NH3气体传感器制备方法所得传感器应用的(a)原位聚合和物理共混制备的PANI-CuFe2O4样品的瞬态响应；(b)PANI、CuFe2O4和原位聚合的PANI-CuFe2O4传感器对NH3的响应；(c)PANI、CuFe2O4和原位聚合PANI-CuFe2O4传感器对NH3的响应和恢复曲线；(d)PANI、CuFe2O4和原位聚合PANI-CuFe2O4传感器对NH3的气体浓度函数响应曲线图。
图8实施例基于原位聚合PANI-CuFe2O4二元纳米复合材料的NH3气体传感器制备方法所得传感器应用的(a)原位聚合PANI-CuFe2O4传感器对不同浓度NH3的电阻测量；(b)原位聚合PANI-CuFe2O4传感器的重复性；(c)原位聚合PANI-CuFe2O4传感器的选择性；(d)原位聚合PANI-CuFe2O4传感器对NH3的5ppm、20ppm和50ppm的长期能力曲线图。
图9实施例基于原位聚合PANI-CuFe2O4二元纳米复合材料的NH3气体传感器制备方法所得传感器应用的PANI-CuFe2O4混合膜传感器的响应随相对湿度的变化图。
图10实施例基于原位聚合PANI-CuFe2O4二元纳米复合材料的NH3气体传感器制备方法所得传感器应用的(a)PANI在氨敏感性中的作用；(b)原位聚合PANI-CuFe2O4混合传感器对NH3气体的机理图；(c)PANI和CuFe2O4之间的p-n异质结示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
工业生产，为了保护环境和维护人体健康，对氨气进行室温检测是非常必要的。为了实现这一目标，本发明使用原位聚合的PANI-CuFe2O4纳米复合材料，结合CuFe2O4和PANI的传感能力来开发高性能的NH3传感器。通过透射电镜(TEM)、x射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱(Raman)、扫描电镜(SEM)和x射线衍射(XRD)对纳米复合材料的组成、化学状态和形貌进行了表征，证实了制备的成功和合理性。透射电镜和扫描电镜结果表明，纳米氧化铜产品具有纳米微球结构，纳米胶囊呈棒状。在25℃时，研究了PANI-CuFe2O4传感器对不同浓度NH3的NH3气体传感性能。实验结果表明，该膜具有良好的响应性和选择性，明显优于纯PANI和CuFe2O4膜。24PANI-CuFe2O4纳米复合材料具有优异的NH3敏感性，这是由于p-n异质结的相互作用和二元纳米复合材料的协同效应所致。
实施例
一种基于原位聚合PANI-CuFe2O4二元纳米复合材料的NH3气体传感器制备方法，制备步骤包括：
1)以Cu(NO3)2·3H2O和Fe(NO3)3·9H2O作为阳离子前体，以柠檬酸作为燃料，采用燃烧法制备CuFe2O4纳米材料；
2)原位聚合法制备PANI-CuFe2O4纳米复合材料：①将苯胺混入酸溶液中搅拌；②将过硫酸铵和CuFe2O4纳米材料加入水中搅拌，然后将两种溶液混合，搅拌均匀；③(0-5)℃温度下搅拌1-3h，溶液颜色由白色逐渐变为绿色，PANI-CuFe2O4纳米复合材料逐渐形成；
3)将PANI-CuFe2O4溶液用交叉指状电极(IDE)浇铸在环氧基板上形成传感膜，在60℃真空干燥4小时后得到PANI-CuFe2O4气体传感器。
在步骤1)中燃烧法制备CuFe2O4纳米材料步骤包括：将1.21gCu(NO3)2·3H2O和4.04g Fe(NO3)3·9H2O作为阳离子前体溶解在装有80ml蒸馏水的烧杯中，然后在60℃下搅拌2小时；以3.756g柠檬酸为燃料，加入上述溶液，60℃搅拌2小时；然后把溶液加热到80℃使水蒸发；最后，烧杯在马沸炉中以400℃加热2小时以去除柠檬酸，得到粉状CuFe2O4纳米材料。
粉状CuFe2O4纳米材料性能表征：
利用扫描电子显微镜(SEM)表征其复合材料的表面形貌：SEM图片如图2所示。图2(a)显示了棒状的PANI纳米胶囊，图2(b)显示了CuFe2O4nanos，图2(c)和(d)显示了PANI-CuFe2O4纳米复合材料的SEM图像。可见PANI与CuFe2O4接触良好，形成多孔结构。
利用波长为1.5418a的Cu Kα辐射x射线衍射仪对PANI、CuFe2O4和PANI-CuFe2O4样品进行XRD表征，结果如图3所示。纳米复合材料的衍射峰扫描范围为10～80。PANI的XRD谱图表明，在2θ＝14.8、20.2、25.4处存在三个优势峰，与PANI的(011)、(020)、(200)面一致。在10和30之间的峰值是由PANI链的平行和垂直周期性引起的。这些峰表明，由于苯和醌环在PANI链上的重复，导电聚合物的结晶度较低。CuFe2O4的XRD谱图显示，与(111)、(220)、(311)、(222)、(400)、(422)、(511)、(440)、(533)面对应的2个峰分别为18.3、30.4、35.7、37.2、43.4、53.7、57.3、62.4、74.7，符合标准卡JCPDS:77-0010。PANI-CuFe2O4纳米复合材料的XRD图谱主要是原始PANI和原始CuFe2O4峰的叠加，证明了PANI和CuFe2O4的存在。
纳米复合材料的XPS测量光谱如图4(a)所示，主要组成元素为Fe、Cu、N、O和C。在图4(b)所示的Fe 2p XPS光谱中，5个不同的峰分别位于710.63、713.71、718.52、723.43和726.04eV处。710.63eV时的最高峰值可归因于Fe3+的2p3/2。713.71和723.43eV的峰值与Fe2+的2p1/2和2p3/2的结合能有关。726.04eV处出现的峰值是Fe3+和Fe2+的2p1/2,718.52eV处出现的最后一个峰值可以看作是上述四个峰值的一个卫星，说明了PANI-CuFe2O4纳米复合材料中Fe3+和Fe2+的良好共存。如图4(c)所示，Cu 2p XPS谱中932.27eV处的峰值与Cu(I)物种有关。峰值位于933.36eV处，对应于2p3/2的Cu(II)。其峰值位于953.68eV，其震荡卫星位于961.60eV，与铜2p1/2相连。图4(d)中的N 1 s XPS谱在399.01和399.63eV处有两个主峰，分别属于＝NH2 +-和-N＝基团。397.97和400.49eV的两个较低的峰分别是由胺族(-NH3-)和阳离子族(＝NH+-)引起的，表明苯胺聚合成功。对于图4(e)中的o1s XPS谱，Fe-O和Cu-O的晶格氧贡献了两个结合能为531.84和529.85eV的峰。图4(f)中的c1s XPS谱由于C-C(sp2-carbon)的存在而在284.12eV处显示出一个优势峰，接下来是由于sp3-杂化碳的存在而在286.09和285.07eV处出现的两个较低的峰。
通过TEM表征获得纳米复合材料的形貌，图像如图5所示。图5(a-b)分别展示了CuFe2O4和PANI的结构，与对应的SEM图像一致。图5(c)描绘了一个晶格条纹为0.25nm的PANI纳米胶囊的HRTEM图像，这与(311)平面相一致。从图5(d)可以看出，纳米复合材料的环状结构清晰，结晶度较高。
利用拉曼光谱研究了PANI-CuFe2O4纳米复合材料中CuFe2O4与PANI之间的电子势相互作用。从图6可以看出，PANI和PANI-CuFe2O4纳米复合材料中均出现了主带。纯PANI的拉曼光谱显示在1478.36cm-1处有条带，而PANI-CuFe2O4纳米复合材料的条带在1491.44cm-1处有条带，说明由于CuFe2O4表面的无序增加，条带有小的漂移。
一种上述制备方法所得PANI-CuFe2O4气体传感器在氨气检测中的应用。
将原位聚合制备的PANI-CuFe2O4气体传感器用于气体瞬态响应检测：
物理共混和原位聚合制备的PANI-CuFe2O4样品的瞬态响应如图7(a)所示，使气体传感器在NH3气体和干空气之间以150秒的间隔移动，随着百万分之一氨浓度的升高，原位聚合PANI-CuFe2O4传感器的响应高于物理共混所得PANI-CuFe2O4传感器。因此，PANI-CuFe2O4纳米复合材料通过原位聚合法进行制备。
将原位聚合制备的PANI-CuFe2O4气体传感器用于对NH3的响应性能检测：
在室温25℃下，仔细比较聚苯胺、CuFe2O4和原位聚合聚苯胺-CuFe2O4传感器的NH3气体传感性能。如图7(b)所示，原位聚合的PANI/CuFe2O4传感器在NH3浓度分别为1ppm,5ppm,10ppm,20ppm,30ppm,40ppm和50ppm时，传感器的响应约为12.55％,27.37％,40.55％,48.94％,63.56％,71.60％和81.93％。在三种传感器中，原位聚合PANI-CuFe2O4传感器的响应是最高的。
图7(c)为聚苯胺、CuFe2O4和原位聚合聚苯胺-CuFe2O4三个传感器在5ppm NH3下的响应和恢复曲线。原位聚合PANI-CuFe2O4传感器的响应时间和恢复时间分别为84s和54s，比其他传感器短。
三种传感器的响应曲线随NH3浓度的变化，如图7(d)所示。PANI、CuFe2O4和原位聚合PANI-CuFe2O4传感器的拟合函数分别为Y＝6.60X0.53,Y＝6.81X0.32和Y＝12.71X0.47。相关系数R2分别为0.9870、0.9802和0.9924。
表1列出了CuFe2O4、PANI和PANI-CuFe2O4传感器在恢复时间、响应时间和响应值方面的传感性能，分别以5ppm和30ppm NH3测量。PANI-CuFe2O4传感器是其中性能最优的。
表1氨传感器响应值、响应时间和恢复时间
Figure BDA0002248541870000121
将原位聚合PANI-CuFe2O4传感器对不同浓度NH3的电阻进行测量：从图8(a)能够看出，随着NH3浓度的增加，原位聚合PANI-CuFe2O4传感器的实时电阻呈单调下降趋势。
从图8(b)能够看出，原位聚合的PANI-CuFe2O4传感器分别暴露于5ppm、30ppm、50ppm NH3和空气中3次，循环测量过程无明显变化，表明该传感器具有良好的重复性。
图8(c)展示了原位聚合PANI-CuFe2O4传感器对5ppm NH3、甲醛(HCHO)、乙醇(CH3CH2OH)、丙酮(CH3COCH3)、甲醇(CH3OH)、苯(C6H6)和甲烷(CH4)气体的选择性。原位聚合PANI-CuFe2O4传感器对NH3的响应远远高于其他气体，说明原位聚合PANI-CuFe2O4传感器对NH3的检测具有良好的选择性。
图8(d)显示了原位聚合PANI-CuFe2O4传感器在浓度为5ppm、20ppm和50ppm的NH3环境中的长期稳定性。两个多月误差较小，说明原位聚合PANI-CuFe2O4传感器稳定性好。
当NH3为10ppm时，PANI-CuFe2O4传感器对相对湿度的响应如图9所示，能够写成Y＝-0.03+0.101RH。这说明该传感器对湿度不敏感，但对于高精度的氨氮测量，能够补偿不同相对湿度引起的误差。
表2给出了PANI-CuFe2O4气体传感器与现有技术对比例的NH3传感器的性能比较。响应时间、响应值、响应时间和工作温度如表2所示，说明PANI-CuFe2O4传感器响应时间短，响应时间长，响应程度高。结果表明，PANI-CuFe2O4传感器具有优越的传感性能，能够作为ppm级室温NH3检测的理想传感器。
表2本实施例传感器与现有技术的氨传感器的性能比较
Figure BDA0002248541870000131
进一步，PANI-CuFe2O4纳米复合材料在NH3检测中，p-n异质结的相互作用和二元纳米复合材料的协同效应共同发挥作用。
图10(a)为PANI在PANI-CuFe2O4传感器的NH3检测中，PANI呈现p型半导体的特征；由于原位氧化聚合，PANI吸收质子并形成N-H+键；当接触NH3气体时，传感器吸附NH3分子，然后PANI表面的N-H基团与NH3反应生成NH3，从而利于NH3气体的吸附；该可逆过程概括为
Figure BDA0002248541870000141
传感器暴露在空气中，NH4 +能够分解为NH3气体和一个质子，空气中的氧分子首先通过化学吸附从纳米复合材料的导电带中捕获电子，吸附在纳米复合材料表面，导致空穴浓度降低，进而增加空气中的电阻；NH3与传感器表面接触时，化学吸附的氧分子与NH3反应，电子脱离纳米复合材料的导电带，导致损耗层的减少；表面氧与氨气的反应方程式如下：
O2(gas)→O2(ads) (1)
O2(gas)+e-→O2 - (ads) (2)
NH3(gas)→NH3(ads) (3)
4NH3(ads)+3O2 -→2N2+6H2O+3e- (4)
2NH4 ++3O2 -→2NO+4H2O+e- (5)。
其中，gas是指气体，ads是指吸附质状态。
图10(c)显示p型PANI纳米胶囊(4.49eV)很好地附着在n型CuFe2O4纳米球上，形成了p-n结。然后PANI-CuFe2O4异质结建立耗尽区电子场。在NH3气体中暴露时，PANI的电子从耗尽层移出，CuFe2O4的空穴向相反方向移动，导致平衡点的耗尽层减小，电阻减小。在这个过程中，p-n结能够通过将氨浓度转换成阻抗变化来放大信号。
因此，本PANI-CuFe2O4纳米复合材料传感器能较易检测出低浓度的NH3。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然能够对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于原位聚合PANI-CuFe2O4二元纳米复合材料的PANI-CuFe2O4气体传感器在氨气检测中的应用，其特征在于：气体传感器制备步骤包括：
1)以1.21g的Cu(NO3)2·3H2O和4.04g的Fe(NO3)3·9H2O作为阳离子前体，以柠檬酸作为燃料，采用燃烧法制备CuFe2O4纳米材料；
2)原位聚合法制备PANI-CuFe2O4纳米复合材料：①将苯胺混入酸溶液中搅拌；②将过硫酸铵和CuFe2O4纳米材料加入水中搅拌，然后将两种溶液混合，搅拌均匀；③(0-5)℃温度下搅拌1-3h，溶液颜色由白色逐渐变为绿色，PANI-CuFe2O4纳米复合材料逐渐形成；
3)将PANI-CuFe2O4溶液用交叉指状电极(IDE)浇铸在环氧基板上形成传感膜，在60℃真空干燥4小时后得到PANI-CuFe2O4气体传感器；
PANI-CuFe2O4纳米复合材料在NH3检测中，p-n异质结的相互作用和二元纳米复合材料的协同效应共同发挥作用；
p型PANI纳米胶囊附着在n型的CuFe2O4纳米球上，形成p-n结；然后PANI-CuFe2O4异质结建立耗尽区电子场；在NH3气体中暴露时，PANI的电子从耗尽层移出，CuFe2O4的空穴向相反方向移动，导致平衡点的耗尽层减小，电阻减小；在这个过程中，p-n结通过将氨浓度转换成阻抗变化来放大信号。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：在步骤1)中燃烧法制备CuFe2O4纳米材料步骤包括：将1.21gCu(NO3)2·3H2O和4.04gFe(NO3)3·9H2O作为阳离子前体溶解在装有80ml蒸馏水的烧杯中，然后在60℃下搅拌2小时；以3.756g柠檬酸为燃料，加入上述溶液，60℃搅拌2小时；然后把溶液加热到80℃使水蒸发；最后，烧杯在马沸炉中以400℃加热2小时以去除柠檬酸，得到粉状CuFe2O4纳米材料。
3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：将原位聚合制备的PANI-CuFe2O4气体传感器用于气体瞬态响应检测、对NH3的响应性能检测、响应恢复曲线检测，以及对NH3的气体浓度函数响应检测。
4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：在PANI-CuFe2O4气体传感器的NH3气体检测中，原位聚合PANI-CuFe2O4传感器的实时电阻呈单调下降趋势；分别暴露于5ppm、30ppm、50ppm的NH3和空气中3次，循环测量过程无明显变化；和/或
PANI-CuFe2O4气体传感器对NH3的响应高于甲醛、乙醇、丙酮、甲醇、苯和甲烷气体；在浓度为5ppm、20ppm和50ppm的NH3环境中2个月以内传感器误差稳定。
5.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：在PANI-CuFe2O4传感器的NH3检测中，PANI呈现p型半导体的特征；由于原位氧化聚合，PANI吸收质子并形成N-H+键；当接触NH3气体时，传感器吸附NH3分子，然后PANI表面的N-H基团与NH3反应生成NH3，从而利于NH3气体的吸附；该可逆过程概括为：
Figure FDA0002462412980000021
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：传感器暴露在空气中，NH4 +能够分解为NH3气体和一个质子，空气中的氧分子首先通过化学吸附从纳米复合材料的导电带中捕获电子，吸附在纳米复合材料表面，导致空穴浓度降低，进而增加空气中的电阻；NH3与传感器表面接触时，化学吸附的氧分子与NH3反应，电子脱离纳米复合材料的导电带，导致损耗层的减少；表面氧与氨气的反应方程式如下：
O2(gas)→O2(ads) (1)
O2(gas)+e-→O2 - (ads) (2)
NH3(gas)→NH3(ads) (3)
4NH3(ads)+3O2 -→2N2+6H2O+3e- (4)
2NH4 ++3O2 -→2NO+4H2O+e- (5)；
其中，gas是指气体，ads是指吸附质状态。
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