[发明专利]一种棒状ZnO/ZIF-8的制备及其低温H2敏感效应

说明书

技术领域

本发明涉及纳米传感器的制备技术领域，具体涉及一种原位生长在平板电极上的棒状ZnO/ZIF-8的制备方法及其低温H₂敏感效应。

背景技术

ZnO是一种典型的n型半导体材料，能带宽度为3.7eV。一维ZnO纳米结构如纳米线、纳米棒和纳米带等具有高的比表面积、良好的化学和热稳定性，因而被广泛的应用于化学敏感领域中。其中ZnO纳米棒结构通常是单晶结构且表面比较光滑，具有更大的比表面积、量子尺寸效应。随着不断的开发应用人们发现纯相的ZnO气敏材料一般选择性不高，主要表现为对多种气体如C₂H₅OH、CO、TEA及H₂等都具有相应的灵敏度，这样很难达到人们的要求。

近年来，类沸石咪挫酯骨架材料（Zeolitic Imidazolate Frameworks，ZIFs）是一类具有沸石骨架结构的材料，这类材料结合了沸石高的稳定性和材料的结构多样和性能多样性，ZIF-8 (Zn(Hmim)₂, Hmim=2-甲基咪唑) 作为最具代表性的材料受到了广泛的关注。ZIF-8材料具有超高的孔隙率、巨大的比表面积可达1400m²/g，其孔径尺寸仅为3.4Å，具有非常明显的筛分作用，对其应用研究已涉及气体吸附、分离，储氢和催化等多个领域，是目前研究最为广泛的一类ZIF材料。尤其在气敏传感器领域ZIF-8材料可有效阻隔大分子物质筛选小分子物质，将ZIF-8材料与ZnO材料复合可有效改善ZnO材料选择性差的问题，并能充分发挥复合材料的优势，在传感器领域具有非常大的应用前景。

目前，Martin Drobek 等人(Drobek, Martin, et al. MOF-based membrane encapsulated ZnO nanowires for enhanced gas sensor selectivity. ACS applied materials & interfaces 8.13 (2016): 8323-8328.) 合成的ZIF-8膜包裹的ZnO纳米线复合物对H₂有气敏响应，而ZIF-8/ZnO 对C₇H₈ (5.92 Å)、C₆H₆(5.27 Å)在相同条件下无响应，说明ZiIF-8确实起到了分子筛分膜的作用。但是其响应温度300 ℃太高，功耗较大使得实用性降低，且合成方法操作复杂、成本昂贵不适宜大批量的生产研究及应用。

发明内容

针对响应温度高、功能损耗大、实用性低、合成操作复杂、成本昂贵等问题，本发明提供了一种低功耗、操作简便的具有低温H₂敏感效应的棒状ZnO/ZIF-8制备方法。

一种棒状ZnO/ZIF-8的制备及其低温H₂敏感效应，有以下步骤：

1）制备ZnO籽晶层：将二水乙酸锌加入到乙二醇甲醚中，室温下搅拌均匀，加入乙醇胺，搅拌均匀，二水乙酸锌、乙二醇甲醚与乙醇胺的用量比为4.4g：25ml：1.2g，静置12h后得到溶胶，将所得溶胶旋涂在干净的氧化铝平板电极上，经退火处理后，在氧化铝平板电极上得到ZnO籽晶层；

2）制备棒状ZnO：按摩尔比为1:1配制硝酸锌和六次甲基四胺的水溶液，水溶液中硝酸锌的浓度为0.02-0.04mol/L，将步骤1）中有ZnO籽晶层的氧化铝平板电极放入，倒入高压反应釜中反应，反应结束后用水和乙醇反复清洗，得到生长于氧化铝平板电极上的棒状结构纳米ZnO；

3）制备棒状ZnO/ZIF-8：将0.16-0.26mol/L的乙酸锌水溶液加入到1.8-2.8mol/L的2-甲基咪唑的水溶液中搅拌2-5min，得到混合溶液，放入步骤2）所得的表面具有棒状结构纳米ZnO的氧化铝平板电极，室温下静置48-50h，然后用去离子水和甲醇溶液反复清洗，得到棒状ZnO/ZIF-8。

（4）将步骤3）的棒状ZnO/ZIF-8及步骤2）中得到的棒状ZnO放到气敏测试仪中进行气敏性能测试，分别通入H₂、C₂H₅OH气体，测试通入气体前后两种材料的测试基片的电阻变化，从而计算气敏反应的灵敏度。