[发明专利]一种基于Pt/α-Fe2O3多孔纳米球敏感材料的丙酮气体传感器及其制备方法

说明书

一种基于Pt/α‑Fe₂O₃多孔纳米球敏感材料的丙酮气体传感器及其制备方法，属于半导体氧化物气体传感器技术领域。本发明所使用的是由水浴法和浸渍法制得的Pt/α‑Fe₂O₃多孔纳米球敏感材料。利用贵金属Pt纳米颗粒对于有机气体的催化作用，以及两者之间的金属‑半导体异质接触进而有效地提高了传感器对于丙酮的敏感特性。此外，本发明所采用的传感器结构是由市售的带有2个环形金电极的Al₂O₃绝缘陶瓷管、涂敷在环形金电极和Al₂O₃绝缘陶瓷管上的半导体敏感材料、以及穿过Al₂O₃绝缘陶瓷管的镍铬合金加热线圈组成。器件工艺简单，体积小，适于大批量生产，因而在检测微环境中丙酮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Pt/α-Fe₂O₃多孔纳米球敏感材料的丙酮气体传感器及其制备方法。

背景技术

丙酮在工业上不仅可以作为生产炸药、塑料、橡胶的重要溶剂，还是用作合成烯酮、碘仿、环氧树脂等物质的重要原料。然而，类似于其他有机溶剂，它具有易燃、易爆和具有刺激性等危害。而且，丙酮不仅具有较大的火灾危险性，还对人的中枢神经系统具有麻醉作用，高浓度时甚至会导致人昏迷和死亡。另外，病理学研究表明丙酮是糖尿病患者呼气的标记物。开发出基于半导体氧化物的高性能丙酮传感器在糖尿病无痛诊断和病况监测方面大有裨益。因此，对于丙酮气体的检测具有十分重要的意义。

在种类众多的气体传感器中，以半导体氧化物为敏感材料的电阻型气体传感器具有灵敏度高、检测下限低、选择性好、响应和恢复速度快、制作方法简单、成本较低等优点，是目前应用最广泛的气体传感器之一。随着纳米科学与技术的发展，将气敏材料调控成纳米结构能够极大地提高材料的比表面积，增加活性位点，可以使气敏特性得到改善。另外，通过贵金属表面担载在半导体表面，利用它的化学和电子敏化作用，可以使得气敏材料得到进一步改性，从而获得更好的气敏特性。

α-Fe₂O₃是一种禁带宽度近似为2.1eV的n型半导体材料，由于其优异的化学稳定性和较快的响应恢复速度被广泛应用在气体传感方面。然而，尽管许多不同形貌、具有大比表面积和活性位点密度的α-Fe₂O₃材料被研制出来，但大多数α-Fe₂O₃在检测VOC(挥发性有机化合物)气体时，都表现出了较差的选择性和较高的工作温度。因此，利用贵金属Pt的催化氧化能力，对于α-Fe₂O₃材料进一步改性，从而提升其气敏性能至关重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于Pt/α-Fe₂O₃多孔纳米球敏感材料的丙酮气体传感器及其制备方法。

利用Pt/α-Fe₂O₃多孔纳米球作为敏感材料，一方面α-Fe₂O₃的三维结构使得孔隙度高、分散性好，为Pt的担载提供了好的基体形貌，有利于气体的传输和检测；另一方面Pt纳米颗粒具有较强的化学催化特性，且对多种VOC气体都具有催化氧化的能力，所以会引起更多的氧分子参与反应；此外，由于α-Fe₂O₃和Pt之间费米能级不同，当它们接触后会产生金属-半导体异质结构，这些异质结的出现会为反应提供更多的反应活性位点。这三方面的共同作用大幅提高了气体与敏感材料的反应效率，进而提高了传感器的灵敏度。本发明所采用管式结构传感器制作工艺简单，体积小，利于工业上批量生产，因此具有重要的应用价值。