一种三维氧化锌/氧化镍敏感材料的制备方法与流程

本发明涉及一种三维氧化锌/氧化镍敏感材料的制备方法，属半导体气敏材料制备及应用的技术领域。

背景技术：

氨气是一种工业应用广泛的有毒气体，无色，有刺激性恶臭味，它对动物或人体的上呼吸道有刺激和腐蚀作用，常被吸附在皮肤粘膜和眼结膜上，从而产生刺激和炎症，人吸入700mg·m^-3持续30min即可中毒，吸入1750～4000mg·m^-3可危及生命，在《室内空气质量标准》gb/t18883-2002规定：氨气在室内中允许的最高浓度为0.2mg·m^-3。在《工业企业设计卫生标准》中规定：车间空气中氨气的最高浓度不得超过30mg·m^-3。因此如何实现对低浓度氨气的精准快速检测是十分重要的。

通常，采用气相色谱分析法和质谱分析法来检测氨气，但是这些技术所用的设备占地大、操作复杂；金属半导体氧化物气体传感器检测仪由于制作容易、检测准确，是检测氨气的最佳选择。

目前，金属半导体氧化物气体传感器还处于研究中，还有很多不足，例如，纯相金属半导体氧化物大都存在灵敏度低、响应速度慢、选择性和稳定性差、对低浓度待测气体无灵敏度等缺点，很难满足气体传感器在实际应用中的复杂要求；为了提高气体传感器的灵敏度、响应速度、定向选择性，满足实际应用要求，常在气敏材料中掺杂负载剂，或者通过形成异质结以增强气敏材料的气敏特性，此项技术还处于研究阶段。

技术实现要素：

发明目的

本发明的目的是针对气体检测技术的缺点和不足，采用在乙酸锌中添加乙酸镍，经反应釜水热合成、真空有氧煅烧、研磨过筛，制成检测氨气的三维氧化锌/氧化镍敏感材料，以构筑异质结的方式，大幅度提高气敏材料的灵敏性、稳定性和响应速度，以使在气体传感器的应用中提高检测性能。

技术方案

本发明使用的化学物质材料为：乙酸锌、乙酸镍、甘氨酸、碳酸氢铵、无水乙醇、去离子水、氧气，其组合准备用量如下：以克、毫升、厘米3为计量单位

制备方法如下：

(1)、精选化学物质材料

对制备使用的化学物质材料要进行精选，并进行质量纯度控制：

(2)、配制碳酸氢铵水溶液

称取碳酸氢铵1.26g±0.001g，量取去离子水40ml±0.001ml，加入烧杯中；

用磁力搅拌器进行搅拌，搅拌时间5min，搅拌后配置成浓度为0.4mol/l的碳酸氢铵水溶液；

(3)、水热合成制备三维氧化锌/氧化镍微结构

三维氧化锌/氧化镍微结构的水热合成是在反应釜内进行的，是在加热炉内加热、保温过程中完成的；

①、配制反应溶液

称取乙酸锌0.88g±0.001g、乙酸镍1.98g±0.001g、甘氨酸1.2g±0.001g，量取去离子水40ml±0.001ml，加入烧杯中；用磁力搅拌器进行搅拌，使其溶解；

将配制好的碳酸氢铵水溶液40ml±0.001ml倒入含有乙酸锌、乙酸镍、甘氨酸水溶液的烧杯中，成混合反应溶液；

将配制的混合反应溶液80ml±0.001ml加入聚四氟乙烯容器中；

②、将盛有混合反应溶液的聚四氟乙烯容器置于反应釜中，并密闭；

③、将反应釜置于加热炉中加热，加热温度180℃±2℃，加热时间180min；

混合反应溶液在加热过程中将发生水热合成反应，反应方程式如下：

式中：c4h8n2o4zn：甘氨酸锌

c4h8n2o4ni：甘氨酸镍

c2h7no2：乙酸氨

co2：二氧化碳

④、水热合成反应后停止加热，使反应釜随加热炉冷却至25℃；

⑤、离心分离，将水热合成反应后的混合反应溶液置于离心分离管内，进行离心分离，分离转数8000r/min，分离后留存沉淀物，弃去分离液；

⑥、洗涤；

将分离后的沉淀物置于烧杯中，加入无水乙醇100ml，搅拌洗涤5min，成洗涤液；在离心管内进行离心分离，弃去洗涤液；

将分离后的沉淀物置于烧杯中，加入去离子水100ml，搅拌洗涤5min，在离心管内进行离心分离，留存沉淀物，弃去洗涤液，去离子水洗涤重复进行3次；

⑦、干燥；

将沉淀物置于石英容器中，然后置于干燥箱中，在80℃干燥10h；

(4)、有氧煅烧

敏感材料的煅烧是在真空煅烧炉内进行的，是在抽真空、输氧气、加热状态下完成的，煅烧后成三维氧化锌/氧化镍敏感材料；

①、将沉淀物平铺于石英坩埚中，然后将石英坩埚置于真空煅烧炉内的工作台上，并密闭；

②、开启真空煅烧炉的真空泵，抽取炉内空气，使炉内压强达2pa；

③、开启氧气瓶，向炉内输入氧气，氧气输入速度200cm³/min，使炉内压强恒定在1个大气压；

④、开启真空煅烧炉的中频感应加热器，加热煅烧，加热温度450℃±2℃，在此温度下保持180min；

⑤、煅烧后，停止加热，使三维氧化锌/氧化镍敏感材料在氧气保护下随炉冷却至25℃；

(5)、研磨过筛

将煅烧后的三维氧化锌/氧化镍敏感材料用玛瑙研钵、研棒进行研磨，然后用650目筛网过筛；研磨、过筛反复进行；

研磨、过筛后成终产物三维氧化锌/氧化镍敏感材料；

(6)、检测、分析、表征

对制备的三维氧化锌/氧化镍敏感材料的形貌、色泽、化学物理性能、气敏性能进行检测、分析、表征；

用电子显微镜进行形貌分析；

用x射线衍射仪进行物质成分分析；

用气敏分析仪进行气敏特性分析；

结论：三维氧化锌/氧化镍敏感材料为花状结构，单花尺寸≤5μm，片厚度≤30nm，产物纯度达99.5％；对200ppm氨气的灵敏度为34.5；

(7)、产物存储

对制备的三维氧化锌/氧化镍敏感材料储存于棕色透明的玻璃容器内，密闭避光储存，要防潮、防晒、防酸碱盐侵蚀、储存温度25℃，相对湿度10％。

有益效果

本发明与背景技术相比具有明显的先进性，是针对氨气检测气敏材料存在灵敏度低、响应速度慢、选择稳定性差的情况，以乙酸锌、乙酸镍、甘氨酸、碳酸氢铵为原料，经反应釜水热合成、真空有氧煅烧、研磨过筛，得到三维氧化锌/氧化镍敏感材料，此制备方法工艺先进，数据精确翔实，产物形貌好，为花状分等级结构，单花尺寸≤5μm，片厚度≤30nm，产物纯度好，达99.5％，可在检测氨气的气体传感器中应用，是先进的三维氧化锌/氧化镍敏感材料的制备方法。

附图说明

图1、三维氧化锌/氧化镍敏感材料形貌图

图2、三维氧化锌/氧化镍敏感材料x射线衍射强度图谱

图3、三维氧化锌/氧化镍敏感材料气敏特性曲线图

具体实施方式

图1所示，为三维氧化锌/氧化镍敏感材料形貌图，图中所示，复合材料为花状分等级结构，单花尺寸≤5μm，片厚度≤30nm。

图2所示，为三维氧化锌/氧化镍敏感材料x射线衍射强度图谱，纵坐标为衍射强度、横坐标为衍射角2θ，图中可见：各衍射峰位置和相对强度均与氧化锌和氧化镍相吻合，且衍射图谱中没有其他衍射杂峰，说明制备的三维氧化锌/氧化镍敏感材料的物相是纯的。

图3所示，为三维氧化锌/氧化镍敏感材料气敏特性曲线图，图中可见，三维氧化锌/氧化镍敏感材料对氨气灵敏度高，响应恢复速度快，对200ppm氨气灵敏度达34.5；对1ppm氨气灵敏度可达6.01，对低浓度氨气灵敏度高，可满足实际检测氨气的气体传感器中需求；

氨气灵敏度值是材料在空气中电阻值与氨气中电阻值的比值。