[发明专利]一种铟掺杂氧化锌气敏材料的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种铟掺杂氧化锌气敏材料的制备方法及其应用，是以硝酸锌和乙酰丙酮铟为原料，以甲醇为溶剂，以2‑甲基咪唑为有机连接剂，在25～27℃下静置24小时，经甲醇离心洗涤后获得In(acac)₃@ZIF‑8复合物，将所得复合物置于60℃干燥箱中干燥，再经退火处理后得到铟掺杂氧化锌气敏材料。本发明制备工艺简单，成本较低，所制备的铟掺杂氧化锌气敏材料具有多孔空心笼状结构，可实现ppb级二氧化氮气体的探测，并具备探测硫化氢气体的潜力。

技术领域

本发明涉及一种铟掺杂氧化锌气敏材料的制备方法及其应用，用于二氧化氮气体传感器的制备，可实现ppb级二氧化氮的检测，并具备探测硫化氢气体的潜力，属于气敏材料制备技术领域。

背景技术

二氧化氮主要来自化石燃料的燃烧和工业生产活动，由于其对环境安全和人体健康的潜在危害而备受关注。二氧化氮的过量排放会导致各种环境问题，例如酸雨，光化学烟雾和PM2.5(小于2.5μm的颗粒物)。当长时间暴露于含有二氧化氮气体的环境中后，人们极有可能患上呼吸道疾病和心脏病。世界卫生组织要求城市在1小时内的二氧化氮浓度应低于200μg/m³(106ppb)，而在全年中应低于40μg/m³(21ppb)。与此同时，由人类代谢活动产生的二氧化氮是重要的生物标志物。只需检测呼出气体中的二氧化氮含量，就可以有效地辅助诊断包括慢性阻塞性肺疾病在内的多种人类疾病。因此，实现痕量二氧化氮的高灵敏检测对环境保护和人身安全具有重要意义。

基于ZnO、In₂O₃、SnO₂、Fe₂O₃和WO₃等金属氧化物半导体的气体传感器，由于其灵敏度高、响应速度快、成本低和便携性等特点，在家用、实验室和商业应用的气体检测设备中占据着主导地位。作为一种典型的金属氧化物半导体传感材料，ZnO已被广泛研究用于检测包括二氧化氮在内的各种气体。但是，对于大多数ZnO基传感器而言，其检测下限仍然较高，并且灵敏度不足以准确地监测低浓度二氧化氮的变化。为了获得较高的气体传感性能，使用多孔微纳米结构已被证明是最有效的方法之一。另一方面，也可以通过选择性掺杂实现气敏性能的进一步提升。已经发现，基于掺杂铟等金属元素可实现灵敏度的提高，对目标气体的更好选择性或响应/恢复时间的降低。然而，实现掺杂元素均匀分散的同时保持多孔空心结构仍然面临着挑战。

作为广为人知的金属有机骨架(MOF)的子类，沸石咪唑酸盐骨架(ZIF)是一类新兴的多孔材料。在所有ZIF中，由锌和2-甲基咪唑组成的ZIF-8因其稳定的合成路线、出色的热/化学稳定性和明确的孔隙特征得到了最为广泛的研究。ZIF-8的这些独特优势极大地促进了其在气体分离，气体存储和催化等领域的应用。其中，ZIF-8的广泛研究能力是将贵金属纳米粒子(例如Pd和Pt)封装在其微孔内。从技术上讲，这种原位封装策略可以将特定分子直径的前驱物包裹在ZIF-8微孔中，有可能解决退火过程中掺杂金属的团聚问题。此外，据我们所知，尚未有研究将这种策略用于制备金属掺杂的ZnO作为高性能气敏材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种铟掺杂氧化锌气敏材料的制备方法及其应用。本发明在制备过程中充分利用ZIF-8孔径为和笼径为的特点，在结晶过程将In(acac)₃分子原位包裹在ZIF-8的微孔中。退火处理后，铟掺杂元素均匀分散地掺入了二氧化锌的晶格，有效地避免了掺杂元素团聚问题，从而实现高性能敏感材料的制备。

本发明铟掺杂氧化锌气敏材料的制备方法，是以硝酸锌和乙酰丙酮铟(In(acac)₃)为原料，以甲醇为溶剂，以2-甲基咪唑为有机连接剂，在25～27℃下静置24小时，经甲醇离心洗涤后获得In(acac)₃@ZIF-8复合物，将所得复合物置于60℃干燥箱中干燥，再经退火处理后得到铟掺杂氧化锌气敏材料。具体包括如下步骤：

步骤1：取适量六水合硝酸锌溶于甲醇中，持续磁力搅拌形成透明溶液A；