[发明专利]一种基于MOF衍生的核壳介孔Sn掺杂NiO敏感材料的二甲苯气体传感器及其制备方法

说明书

一种基于MOF衍生的核壳介孔Sn掺杂NiO敏感材料的二甲苯气体传感器及其制备方法，属于半导体氧化物气体传感器技术领域。由外表面带有金电极的陶瓷管衬底、涂覆在陶瓷管衬底和金电极上的基于MOF衍生的核壳介孔Sn掺杂NiO敏感材料、置于陶瓷管内的镍铬加热线圈组成。本发明通过溶剂热法和离子交换过程得到Sn/Ni‑MOF前驱体，再通过在空气中煅烧得到敏感材料；离子交换可以实现Sn⁴⁺的精确原位掺杂，实现对半导体载流子浓度的调控。MOF衍生的介孔结构具有大的比表面积，可以提高传感反应位点的数量，有利于气体的吸附，并为气体的扩散提供渗透通道，增加对二甲苯气体的捕获能力，使传感器对二甲苯具有优异的气敏性能。

技术领域

本发明属于半导体氧化物气体传感器技术领域，具体涉及一种基于MOF衍生的核壳介孔Sn掺杂NiO敏感材料的二甲苯气体传感器及其制备方法。

背景技术

二甲苯作为一种常见的挥发性有机溶剂，具有无色、有毒等特点，作为溶剂广泛被用于涂料、树脂、染料、油墨等行业，也是常见的室内气体污染物。长期接触或短期大量吸入二甲苯气体会引起头晕、嗜睡、呕吐和四肢无力等症状，并且会对眼睛和呼吸道有刺激作用，会对人体产生不可逆的损害。因此，对二甲苯气体的监测显得尤为重要。

气体传感器具有便携化、小型化等特性，是监测有毒有害气体的一种有效手段。其中，金属氧化物半导体气体传感器因其制备方法简单、灵敏度高、易于小型化和成本效益高而备受关注。近些年，大量研究者发现介孔氧化物半导体敏感材料具有大的比表面积和高空隙连通性，有利于气体分子的扩散，并提供大量的传感吸附位点，在有机挥发性化合物(VOCs)传感器方面具有巨大的潜力。

近年来，随着金属有机框架(MOFs)材料的兴起，MOFs衍生的介孔氧化物半导体由于其大的比表面积，丰富的空隙结构和形貌可调等优点，被广泛应用于锂离子电池、超级电容器和气体传感器等领域。此外，金属有机框架是由有机配体和金属离子或团簇通过配位键自组装形成的有机-无机杂化材料。有研究发现，可以通过离子交换对材料中的金属阳离子进行原位交换，形成双金属有机框架材料，并且以这种双金属有机框架为模板制备的异价离子掺杂氧化物半导体可以实现离子的原位掺杂。本发明中通过溶剂热法和随后的阳离子交换过程制备出具有核壳介孔结构的Sn掺杂NiO敏感材料，用于提高对二甲苯的气敏性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于MOF衍生的核壳介孔Sn掺杂NiO敏感材料的二甲苯气体传感器及其制备方法。

本发明利用Ni-MOF为模板，通过离子交换过程实现Sn⁴⁺和Ni²⁺的原位交换，将Ni-MOF转化为Sn/Ni-MOF，并在空气中煅烧后得到核壳介孔Sn掺杂NiO敏感材料。MOF衍生的核壳介孔结构具有大的比表面积和高孔隙互连性，有利于增加气体分子的表面扩散系数和气体分子与孔壁的相互作用频率，并提供大量的传感活性位点。此外，精确可控的Sn⁴⁺原位掺杂可以调控NiO中的空穴浓度，增加缺陷氧数量，使传感器灵敏度大幅度提高。核壳介孔Sn掺杂NiO基传感器对二甲苯表现出优异的灵敏度(46.7-100ppm)和选择性、低的检测限(100ppb)、良好的重复性和长期稳定性。

本发明所述的一种基于MOF衍生的核壳介孔Sn掺杂NiO敏感材料的二甲苯气体传感器，为旁热式结构，其由外表面带有两条平行、环状且彼此分立的金电极的Al₂O₃陶瓷管衬底、涂覆在Al₂O₃陶瓷管外表面和金电极上的金属氧化物半导体气敏材料和置于Al₂O₃陶瓷管内的镍铬加热线圈组成，其特征在于：敏感材料为MOF衍生的核壳介孔Sn掺杂NiO敏感材料，且其由如下步骤制备得到，