[发明专利]基于静电纺丝技术制备的铑掺杂二氧化锡纳米纤维敏感材料的丙酮传感器、制备方法及应用

说明书

一种基于静电纺丝技术制备的铑掺杂二氧化锡氧化物半导体纳米纤维敏感材料的丙酮传感器、制备方法及其在室内环境中在丙酮蒸汽检测方面的应用，属于气体传感器技术领域。传感器由正面带有2个分立的L形金电极、背面带有氧化钌加热层及在氧化钌加热层表面带有2个分立的矩形金电极的Al₂O₃绝缘陶瓷板、涂覆在L形金电极和Al₂O₃绝缘陶瓷板正面的铑离子掺杂的二氧化锡氧化物半导体纳米纤维敏感材料薄膜组成。铑离子的掺入，一方面改变了二氧化锡氧化物半导体纳米纤维的形貌特征；另一方面减少了二氧化锡材料中的电子浓度，从而提高传感器的灵敏度。

技术领域

本发明属于气体传感器技术领域，具体涉及一种基于静电纺丝技术制备的铑掺杂二氧化锡氧化物半导体纳米纤维敏感材料的丙酮传感器、制备方法及其在室内环境中在丙酮蒸汽检测方面的应用。

背景技术

近年来，大气环境污染的加剧、工业/家庭安全事故的频发、食品/药品质量的恶劣以及在医疗、社会福利、化石能源、军工和航空/航天等领域的急需，传感器作为获取信息的手段，将处于信息技术发展的前沿，会受到广泛的关注和商业化应用。虽然在氧化物半导体气体传感器的研究上已经获得了很大的进步，但是为了满足其在各检测领域的使用要求，仍需进一步提高传感器的灵敏度、选择性和降低工作温度。

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。人们发现通过异质掺杂剂掺杂的半导体氧化物复合材料能够显著地改善传感器的灵敏度和选择性。这主要是因为掺杂异质金属离子可以提高传感材料的载流子迁移率，从而提升了其“转换功能”，其次，有些异质金属掺杂剂可以作为催化剂使发生在半导体氧化物表面相应的氧化还原反应得到催化，可以提高传感器的选择性，改善了传感材料的“识别功能”。基于这点，开展异质金属掺杂的氧化物半导体的设计和制备，对于扩大气体传感器的应用具有十分重要的科学意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于静电纺丝技术制备的铑掺杂二氧化锡氧化物半导体纳米纤维敏感材料的丙酮传感器、制备方法及其在室内环境中在丙酮蒸汽检测方面的应用。本发明通过对半导体材料进行掺杂，增加传感器的灵敏度，提高传感器的响应速度，改善传感器的重复性，从而促进此种传感器在气体检测领域的实用化。

本发明所制备的丙酮传感器除了具有较高的灵敏度外，还具有较好的选择性、重复性和长期稳定性。该传感器的检测下限为1ppm，可用于室内环境中丙酮蒸汽含量的检测。

如图1所示，本发明所述的一种基于静电纺丝技术制备的铑掺杂二氧化锡氧化物半导体丙酮传感器，由正面带有2个分立的L形金电极5、背面带有氧化钌加热层3及在氧化钌加热层3表面带有2个分立的矩形金电极6的绝缘Al₂O₃陶瓷板1、涂覆在L形金电极5和绝缘Al₂O₃陶瓷板1正面的半导体敏感材料薄膜2 组成；通过在2个分立的矩形金电极6间施加电压，通过氧化钌加热层3实现对绝缘Al₂O₃陶瓷板1的加热；其特征在于：半导体敏感材料为铑掺杂的二氧化锡氧化物半导体纳米纤维，铑离子和锡离子的摩尔比为0.002～0.01：1；该敏感材料薄膜由静电纺丝技术制备且经煅烧后热压在L形金电极5和绝缘Al₂O₃陶瓷板1 的正面得到；铑离子的掺入，一方面改变了二氧化锡氧化物半导体纳米纤维的形貌特征；另一方面减少了二氧化锡材料中的电子浓度，从而提高传感器的灵敏度。此外，平板式传感器和氧化物半导体敏感材料的制作工艺简单，利于工业上批量生产。二氧化锡以及铑掺杂的二氧化锡纳米纤维的直径为100～150纳米，长度为 5～40微米。

本发明所述的一种基于静电纺丝技术制备的铑掺杂二氧化锡氧化物半导体纳米纤维敏感材料的丙酮传感器的制备方法，其步骤如下：