[发明专利]一种锌掺杂的三氧化二铁复合结构气敏元件的制备方法

说明书

本发明公开了一种锌掺杂的三氧化二铁复合结构气敏元件的制备方法及其应用，其是利用MOFs为模板合成的纳米复合材料，属于纳米功能材料制备领域。其具体是采用一步溶剂热法制备Zn掺杂的MIL‑88B纳米纺锤体；所得产物经离心干燥后在空气氛围中煅烧，最终得到Zn掺杂的α‑Fe₂O₃纳米复合材料粉末。进一步将所得纳米粉末中加入松油醇研磨均匀后，将其涂抹在陶瓷管上，并置于马弗炉烧结，制得所述气敏元件。该气敏元件具有低浓度检测、响应快、高稳定性、高选择性的气敏特性，可用于制备半导体气敏传感器。

技术领域

本发明属于纳米功能材料制备领域，具体涉及一种锌掺杂的三氧化二铁复合结构气敏元件的制备方法。

背景技术

随着人类社会和科技的发展，人们在享受科技所带来的美好生活的同时也逐渐面临一个环境污染的问题，目前大量工业废气的排放导致北方大范围雾霾天气的出现，使得空气质量已经成为社会焦点问题。因此，对一些可燃或危害气体的检测具有重大的实际意义。

气敏传感器作为一种检测气体的装置，受到了越来越多的关注。一般而言，气敏传感器是基于气体分子与半导体纳米材料之间发生氧气分子吸附脱附、以及氧化还原反应等相互作用来影响材料的导电性能，从而可以将被检测气体的浓度或组分转化成相应的电信号，根据获得的电信号的强弱分析待测气体的相关信息，进而起到对有害气体的检测、监控和预警作用。气敏传感器按照结构不同可以大致分为以下几类，即半导体气体传感器、电化学型气体传感器、接触燃烧式气敏传感器、光化学气体传感器等。其中，半导体气敏传感器作为一种应用较为广泛的气敏传感器，其主要是以过渡金属氧化物半导体材料作为气敏材料，当待测气体分子吸附到材料表面后，会引起材料电阻的变化，从而用以检测有害气体。现阶段，气敏传感器主要向着低能耗、多功能、低浓度检测、高灵敏度等方向发展。

多孔材料是指具有一定数量孔隙的结构，因其具有较大的比表面积、孔径可调和形貌结构可控等优势，已被广泛应用在催化、锂离子电池、医学、传感等领域。其中作为传感材料，多孔材料具有良好的通透性，有利于提高对气体的吸附，同时也加速了气体分子在敏感体内部的扩散，有利于提高材料的气体灵敏度。多孔金属氧化物合成的主要方法有前驱体热分解法、溶胶凝胶法、水热法、模板法等，但是传统的模板法最后除去模板的过程较为复杂，使得该方法在实际应用中受到一定的限制。因此，许多研究者希望能够通过探索其他的合成方法获得不同形貌和组成的多孔金属氧化物，从而实现纳米材料在宏观以及微观领域更广泛的应用。

金属有机骨架化合物(metal-organic frameworks，MOFs)是一类由金属离子或金属原子簇与含氧、氮的多齿有机配体通过配位共价键连接，自组装形成的具有周期性网络结构的新型纳米多孔材料。MOFs具有孔径可调、超低密度、超高比表面积等优势，在气体吸附和分离、催化、生物传感器、能源等领域存在着广泛的应用价值。此外，以MOFs材料为模板，通过合适的实验条件可以得到一些结构新颖的多孔金属氧化物纳米材料，且其方法具有方法简单、成本低、形貌可控性强等优势，不仅进一步拓宽了金属氧化物、尤其是多孔材料的制备技术，而且在多金属纳米复合材料，例如，金属氧化物/碳复合材料、双金属氧化物核壳结构等领域也受到了很多研究者的关注，并取得迅速的发展。

半导体材料的敏感特性除了取决于其组分外，材料的元素组成和形貌对其敏感特性也有很大的影响。α-Fe₂O₃是一种典型的n型半导体，因其具有良好的光学带隙（Eg=2.1eV）、化学稳定性、自然丰度及无毒性和低成本等优点，广泛应用于光电化学、传感器等领域。但是，传统的单一α-Fe₂O₃半导体敏感材料存在着灵敏度低、选择性差、响应恢复时间长等缺点。通过在α-Fe₂O₃掺杂适量的低价元素，如Zn、Mg、Cu等，可以使得其从传统的n型半导体转变成P型半导体，而且可以改变原有的价带位置，从而影响材料的物理化学性能，进一步提升其在气敏传感方面的应用。

发明内容