[发明专利]一种丙酮气敏材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种丙酮气敏材料及其制备方法。该材料具有如下结构：Cu_xZn_1‑xFe₂O₄，其中x=0.25‑1，采用一步溶剂热法和高温热处理制备铜‑锌混合铁氧体中空球丙酮气敏材料，成功实现了Cu离子逐步取代Zn离子而获得新型尖晶石结构气敏材料。该制备方法简单、高效、安全，成本低且实际应用价值高，该气敏材料实现了阳离子再分布，具备中空结构，与铁酸锌中空球相比较，该类混合型尖晶石结构气敏材料与CuFe₂O₄中空球在较低温度下（125^oC）对低浓度丙酮表现出更优异的气敏性能，包括高灵敏度、快速响应和优异选择性，在快速无损检测糖尿病患者呼吸气(丙酮)领域展现出广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及气敏材料技术领域，具体涉及一种混合型铁氧体丙酮气敏材料及其制备方法与气敏应用。

背景技术

在过去的几十年中，金属氧化物半导体 (MOS) 由于其出色的气体感应性能而受到广泛关注。例如α-Fe₂O₃，SnO₂，In₂O₃，WO₃，ZnO，NiO等，由于其体积小，成本低和功耗低，已被广泛研究并应用于气体传感器。近年来，尖晶石氧化物 (AB₂O₄) 由于其出色的气体敏感性而引起了广泛关注，并且对某些气体的响应通常高于单一金属氧化物的响应。作为典型的尖晶石铁氧体 (AFe₂O₄； A = Mn，Zn，Co，Ni，Cd)，铁酸锌 (ZnFe₂O₄) 是一种禁带宽度较窄 (~1.9 eV) 的半导体，具有多种优良的特性，在气体传感领域备受关注。近年来，ZnFe₂O₄基气敏材料的制备方法主要有共沉淀法、溶胶-凝胶法和模板法等，可以制备具有不同形貌的ZnFe₂O₄纳米材料，例如纳米棒和中空球，多应用于检测还原性气体。

人们已经做出了许多努力来提高ZnFe₂O₄纳米材料的气敏性能。通过调控ZnFe₂O₄纳米材料获得不同的形态，例如纳米粒子，纳米棒，纳米管等。但是，大多数基于ZnFe₂O₄的气体传感器依然在175-300^oC的较高工作温度下运行，这严重限制了它们的实际应用。因此，降低气体传感器的工作温度将具有重要意义。当然，已经存在了几种方法来降低工作温度并改善MOS纳米材料的气敏特性，包括表面功能化，贵金属掺杂和功能材料复合化。同时，金属离子掺杂还可以有效改善和增强纳米材料的气敏性能。

丙酮作为一种挥发性有机化合物，具有一定的危险性，其沸点仅为56.5℃，易挥发，化学性质活泼，极度易燃，与空气混合甚至会形成易爆物产生爆炸。此外，它还具有一定的刺激性和毒性，长期接触该物品会对人体健康造成威胁。当丙酮浓度在500~1000 ppm之间会刺激鼻、喉和眼睛，1000 ppm时可致头痛并有头晕现象出现，2000~10000 ppm时可导致醉感、恶心和呕吐，高浓度将导致失去知觉、昏迷和死亡，因此检测与监测环境空气中的丙酮浓度具有重要意义。另外，丙酮也是人体体内脂肪代谢产物，健康人呼出气体中丙酮浓度低于0.9 ppm。据临床医学和相关文献报导，糖尿病患者呼出的气体中的丙酮含量要高于正常人，均高于1.8 ppm，因此对低浓度丙酮的定量分析有助于糖尿病的无损诊断。