[发明专利]一种ZnO掺杂SnO2

说明书

本发明属于纳米多孔材料的制备工艺领域，涉及一种高选择性、高灵敏度、高电子迁移率的ZnO掺杂SnO₂‑石墨烯气凝胶气敏材料的制备方法。区别于普通气凝胶气敏材料，本材料使用石墨烯作为网络骨架结构，ZnO和SnO₂混合掺杂于其中，可提高材料整体的灵敏度和回复率。掺杂二元金属氧化混合物，可增强反应活性，降低活化能，提高制备效率。制得的ZnO掺杂SnO₂‑石墨烯气凝胶密度为0.09～0.14g/cm³，响应时间为60～180s，响应度为28～34％。采用一步水热还原法制备气凝胶样品，该工艺用料简单，工艺简洁，减少了杂质带来的负效应，能够提高样品纯度，提升气敏性能。

技术领域

本发明属于纳米多孔材料的制备工艺领域，涉及一种高选择性、高灵敏度及高电子迁移率的ZnO掺杂SnO₂－石墨烯气凝胶复合材料的制备方法。

背景技术

石墨烯以其良好的导电性、高比表面积、良好的化学稳定性和环境稳定性，已成为一种理想的二维原子衬底材料，可用于固定金属氧化物纳米颗粒，金属氧化物SnO₂在300K温度下的能带隙为3.6eV，是典型的n型宽禁带半导体，被广泛应用于NO_x气体的传感检测。长春应化所的李磊等人提出将石墨烯作为SnO₂的表面活性剂和金属氧化剂存在，可以促进电子的传输，提高气体扩散。然而，由于功耗大、操作环境温度高、响应时间长等问题，SnO₂/石墨烯气凝胶仍具有较大的研究空间。

ZnO同样作为一种n型半导体，可和SnO₂一同与石墨烯形成p－n异质结，相比于纯SnO₂与石墨烯复合，ZnO掺杂SnO₂/石墨烯气凝胶具有更高的载流子迁移率和机械性能，可用于化学敏感性和生物敏感性的检测。

在室温条件下，为了实现气体灵敏度的检测技术，掺杂ZnO的SnO₂/石墨烯复合气凝胶不仅可以有效的阻止金属氧化物的团聚和石墨烯层的重叠，而且可以提高材料的电学、化学和物理性能，成为新型的气体传感器元件。

河南理工大学的李艳伟等人将Zn₂SnO₄与石墨烯进行复合，得到对乙醇气体具有高响应性的新型气敏材料，但回复率不足，导致其很难进行实际应用。因此，想要制备出一种高选择性，高灵敏度以及高循环率的气敏材料依然是传感领域的研究目标。

发明内容

本发明的目的是改进现有技术的不足而提供一种ZnO掺杂SnO₂－石墨烯气凝胶气敏材料的制备方法。

本发明的技术方案为：在制备SnO₂/石墨烯复合材料的基础上，掺杂氧化锌 (ZnO)纳米颗粒，通过改变金属氧化物的纯度，来降低反应的活化能，从而改善气敏材料的传感效应，这不仅避免了因颗粒过小而导致的SnO₂团聚以及石墨烯层的重叠，并且提高了气凝胶材料的吸附性和灵敏度，使其具备一定的实际应用价值。其中引入气凝胶的还原剂，可以有效促进氧化石墨烯的还原，形成三维状多孔网络结构。

本发明的具体技术方案为：一种ZnO掺杂SnO₂－石墨烯气凝胶气敏材料的制备方法，其具体步骤如下：

(1)溶胶的制备

称取锡源、锌源和还原剂加入去离子水中，并搅拌一段时间，通过加入醇溶液、氧化石墨烯溶液进行交联，再加入碱性试剂调节PH值后，放入水热反应釜内反应，得到ZnO掺杂的SnO₂－石墨烯溶胶；

(2)老化

将制得的ZnO掺杂SnO₂－石墨烯溶胶取出放入容器中，静置凝胶完全后倒入老化液中老化，得到的ZnO掺杂SnO₂－石墨烯溶胶；

(3)冷冻干燥