[发明专利]一种室温半导体气体传感材料与传感器的制备方法

说明书

本发明公开了一种室温半导体气体传感材料与传感器的制备方法，所述的气体传感器材料为ZnO‑SnO₂:F‑TiO₂‑CuO/石墨烯复合纳米材料，以此为传感材料制备室温气体传感器。其制备方法包括下述步骤：单元氧化物纳米材料前驱体液体配制，多元氧化物纳米材料前驱体液体配制，多元氧化物纳米材料合成，多元氧化物/石墨烯复合纳米材料制备，室温气体传感器制作。上述制备技术和工艺前后相继，有机统一，所制备的室温气体传感器，可对硫化氢、乙醇和甲烷等气体实现有效的室温传感，应用于智能化和可穿戴传感产品。

技术领域

本发明涉及一种气体传感领域，尤其涉及一种室温气体传感器及其制备方法。

背景技术

随着工业与社会发展，气体污染问题日趋严峻，如何实现气体的实时监测成为一个重要且迫切的课题。气体传感器根据反应类型可分为三大类：半导体气体传感器、接触燃烧式气体传感器和电化学气体传感器。其中，半导体气体传感器具有成本低、精度高、灵敏性强、便携可穿戴、操作简单等诸多优点，在工业生产、家居生活、环境保护、酒驾探测、安全检测等多个领域中有重大作用和需求，是目前应用最为广泛的一类气体传感器。

迄今为止，半导体气体传感器的核心材料依然是金属氧化物半导体，最为常用的材料为SnO2、ZnO、WO3等。经过近60年的发展，半导体气体传感器取得了长足的进步，但依然存在一些尚未解决的问题，其中最为主要的是：无法在室温下有效工作。目前，商业的半导体气体传感器均需要在高温环境中实现，工作温度通常在200~500°C，这是半导体气体传感器普遍存在的技术要求，也是制约其使用和发展的瓶颈问题。因为在气体传感器的使用过程中一直处于加热状态，不仅增加能耗、浪费能源，而且会显著降低器件使用寿命，更重要的是高温容易引起可燃气体的燃烧，直接导致检测失败，甚至成为一个潜在的安全隐患。因此，实现在室温条件下的有效工作是当前半导体气体传感器广泛应用所面临的最为核心的科技难题。

目前，虽然有很多学术论文和专利声称实现了室温下的气体传感，但仅仅是在传感材料的层面，一旦与浆料混合，制作成器件，其室温传感性能基本上都严重下降，甚至完全消失，这也是目前商业中没有室温传感器成品的最为主要的原因。因而，如何开发出高性能的室温气体传感材料，进而研制出具有实用价值的室温传感器件，在商业中获得应用，依然是一个尚未解决的科学和技术难题。

发明内容

本发明的目的是针对上述科技难题，提供一种室温半导体气体传感材料和器件及其制备方法，该半导体气体传感器能在室温下有效工作。

为实现上述发明目的，本发明专利所述的一种室温半导体气体传感材料，其特征如下：为ZnO-SnO₂:F-TiO₂-CuO/石墨烯复合纳米材料；石墨烯为二维形态，纵横交错形成三维立体网状结构；ZnO-SnO₂:F-TiO₂-CuO为氧化物纳米颗粒，颗粒直径在20~70nm，四种物相均匀固溶形成了微观晶畴层面的复合材料；ZnO-SnO₂:F-TiO₂-CuO氧化物纳米颗粒均匀分布，粘附在二维石墨烯的网状结构中，与二维石墨烯形成化学键，产生了界面耦合效应，为ZnO-SnO₂:F-TiO₂-CuO/石墨烯复合纳米材料。

本发明提供了一种室温半导体气体传感材料和器件的制备方法，该制备方法包括下述步骤：

（1）单元氧化物纳米材料前驱体液体配制，单元氧化物纳米材料指的是含有一种金属元素的氧化物纳米材料，其前驱体液体配制过程具体如下：

ZnO前驱体液体：加入4.0~5.0g的ZnCl₂到5ml水中，配制成溶液1；加入5.5~6.5g的Na₂CO₃到35 ml水中，配置成溶液2；在搅拌的情况下，将溶液1缓慢加入溶液2中，形成ZnO前驱体液体；