[发明专利]一种基于Al掺杂的NiO纳米棒花材料的乙醇气体传感器及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于氧化物半导体气体传感器技术领域，具体涉及一种基于Al掺杂的NiO纳米棒花的乙醇气体传感器及其制备方法。

背景技术

近年来，由于在工业排放控制，环境检测，交通安全和疾病诊断等领域的广泛应用，人们对于乙醇气体传感器的关注越来越多。在众多的气体传感器中，采用金属氧化物半导体作为敏感材料的电阻型气体传感器由于具有低成本，高灵敏度和操作简单等优点，是目前应用最广泛的气体传感器之一。其工作原理是气体分子吸附在敏感材料表面或是与敏感材料表面的化学吸附氧发生反应，从而引起传感器电阻的变化。由此来看，传感器的气敏特性与敏感材料的形貌与组分密切相关。因此，为了获得高性能的气体传感器，不断地探索和开发新的气敏材料十分必要。

目前，人们采用了各种各样的方法来改善金属氧化物半导体型气体传感器的气敏特性，包括构筑复杂多维的纳米结构，担载贵金属催化剂，形成纳米复合物，异价掺杂等等。其中，向金属氧化物半导体纳米晶体中掺杂异价离子被认为是最为简便可行的方法。这种方法改变了材料的结构，晶粒尺寸及氧组分的分布，从而促进了金属氧化物半导体型气体传感器的气敏特性。

作为p型氧化物半导体，NiO具有优异的化学和电学特性。在气体传感器应用方面，与诸如SnO₂，In₂O₃，ZnO和WO₃等n型金属氧化物半导体相比，其灵敏度很低。然而，NiO拥有突出的催化活性，能够有效地促进VOC(挥发性有机化合物)气体的氧化。因此，NiO可以作为一个潜在的材料平台来设计并构造高性能的乙醇气体传感器。

发明内容

本发明旨在通过向NiO纳米晶体中掺杂高价的Al离子来改变NiO材料的形貌、晶粒尺寸、载流子浓度及氧组分分布等，从而来克服NiO材料灵敏度低和选择性差的缺点，实现对乙醇气体快速高效的检测。

本发明首先以九水合硝酸铝、六水合硝酸镍和草酸作为出发原料，水和乙二醇的混合溶液作为溶剂，利用水热法成功制得了Al掺杂的NiO纳米棒花前驱体，然后在空气中煅烧得到了Al掺杂的NiO纳米棒花材料。

本发明所述的是一种基于Al掺杂的NiO纳米棒花材料的乙醇气体传感器，器件为旁热式结构，由外表面自带有2个平行且分立的环形金电极的氧化铝陶瓷管、涂覆在陶瓷管表面的敏感材料、穿过陶瓷管的镍铬合金加热线圈组成，每个金电极上连接有两根铂丝引脚，其特征在于：敏感材料为Al掺杂的NiO纳米棒花材料，且由如下步骤制备得到，

(1)首先将0.0153～0.0834g的Al(NO₃)₂·9H₂O(九水合硝酸铝)、0.3584～0.5926g的Ni(NO₃)₂·6H₂O(六水合硝酸镍)和0.063～0.126g草酸依次加入到10～15mL去离子水中，保持搅拌直至其全部溶解后，再将10～15mL乙二醇加入上述溶液中，继续搅拌10～20min；

(2)将上述溶液在110～140℃下水热反应10～12h，冷却到室温后，将生成的沉淀用去离子水和乙醇交替离心清洗5～7次，然后在70～90℃下烘干，之后再在400～450℃下煅烧1～2h，得到Al掺杂的NiO纳米棒花材料粉末，纳米棒花的直径为3～5μm。

其中，氧化铝陶瓷管的长度为4～4.5mm，外径为1.2～1.5mm，内径为0.8～1.0mm，2个环形金电极的宽度为0.5～1mm，两个电极间距为1.5～2mm。连接在金电极上的铂丝引脚的长度为8～12mm，镍铬合金加热线圈的匝数为20～40圈，阻值为30～40Ω。

本发明提供了一种基于Al掺杂的NiO纳米棒花材料的乙醇气体传感器的制备方法，其步骤如下：

(1)将Al掺杂的NiO纳米棒花材料粉末与去离子水按质量比3：1～5：1混合，并研磨形成糊状浆料，然后将上述浆料均匀地涂覆在外表面自带有2个环形金电极的氧化铝陶瓷管表面，形成10～30μm厚的敏感材料薄膜，并使敏感材料完全覆盖环形金电极；

(2)将涂有敏感材料的氧化铝陶瓷管在红外线灯(功率为100～150W)下烘烤30～45min，待敏感材料干燥后，把氧化铝陶瓷管在400～450℃下煅烧2～3h；然后将镍镉加热线圈从陶瓷管内部穿出作为加热丝，最后将上述器件按照旁热式气敏元件进行焊接和封装，就得到基于Al掺杂的NiO纳米棒花材料的乙醇气体传感器。