[发明专利]基于ZnO多孔纳米片微球敏感材料的乙醇传感器、制备方法及其应用

说明书

一种基于分等级结构ZnO多孔纳米片微球敏感材料的乙醇传感器、制备方法及其在环境中检测乙醇蒸汽方面的应用，属于半导体氧化物气体传感器技术领域。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分等级结构ZnO多孔纳米片微球敏感材料、置于Al₂O₃陶瓷管内的镍铬合金加热线圈组成。本发明利用丰富的孔径分布、结构疏松、尺寸均一的ZnO微球开发出了具有高性能的乙醇气体传感器。传感器检测下限可以达到500ppb。此外，本发明器件工艺简单，体积小，成本低廉，适于大批量生产，因而在检测乙醇气体含量方面有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于半导体氧化物气体传感器技术领域，具体涉及一种基于分等级结构ZnO多孔纳米片微球敏感材料的乙醇传感器、制备方法及其在环境中检测乙醇蒸汽方面的应用。

背景技术

乙醇对人体的危害主要表现为对中枢神经系统的抑制作用，首先引起兴奋随后抑制。急性中毒可分为兴奋、催眠、麻醉、窒息四个阶段。长期接触高浓度乙醇可引起鼻、眼粘膜刺激症状，以及头痛、头晕、疲乏、恶心等。另外酒驾的危害性极高，根据中华人民共和国《车辆驾驶人员血液、呼气酒精含量阈值与检验标准(GB/T19522-2010)》呼气乙醇浓度为20～80mg/100mL(44～176ppm)即为饮酒驾车浓度，呼气乙醇浓度大于80mg/100mL的属于醉酒驾车浓度。而传感器作为获取信息的手段，受到广泛的关注以及应用，因此研发高气敏响应和低检测下限的乙醇气体传感器具有重要意义。

事实上，围绕着提高氧化物半导体传感器灵敏度的研究一直在不断地深化，尤其是纳米科学技术的发展为改善传感器性能提供了很好的契机。研究表明，气敏材料的识别功能、转换功能和敏感体利用率决定着氧化物半导体传感器的敏感程度。经过研究发现通过合成多孔结构以及分等级结构的半导体氧化物材料能够显著地改善传感器的灵敏度和选择性。这主要是因为多孔结构以及分等级结构可以通过促进气体分子扩散到敏感层内部从而提高敏感体的利用率。基于这点，开展多孔分等级结构的半导体氧化物的设计和制备对于提高气体传感器性能以及扩大气体传感器的应用具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于分等级结构ZnO多孔纳米片微球敏感材料的乙醇传感器、制备方法及其在环境中检测乙醇蒸汽方面的应用。本发明通过对半导体材料进行微观结构的调节，增加传感器的灵敏度，降低传感器的检测下限，促进此种传感器在气体检测领域的实用化。

本发明所得到的传感器除了具有较高的灵敏度外，并具有较好的选择性和较低的检测下限。该传感器的检测下限为500ppb，可用于环境中乙醇蒸汽含量的检测。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、价格低廉，利于工业上批量生产，因此具有重要的应用价值。

本发明所述的基于分等级结构ZnO多孔纳米片微球敏感材料的乙醇传感器，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纳米敏感材料、置于Al₂O₃陶瓷管内的镍铬合金加热线圈组成；其特征在于：纳米敏感材料为疏松的分等级结构ZnO多孔纳米片微球，且由如下步骤制备得到：

(1)首先将1.488g Zn(NO₃)₂·6H₂O、0.6g尿素、0.8～3.3g聚乙烯吡咯烷酮K-30(平均分子量40000～50000)溶解在60～80mL去离子水中并充分搅拌20～40min；

(2)将步骤(1)得到的均匀透明溶液在140～160℃下水热反应8～15h；