异质结构复合物的丙酮传感器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体金属氧化物气体传感器技术领域，具体涉及一种基于rG0/a-Fe2O3异质结构复合物的丙酮传感器及其制备方法。
【背景技术】
[0002]V0C，是挥发性有机化合物(volatile organic compounds)的英文缩写，它通常是指沸点在50?260 0C、室温下饱和蒸汽压超过133.132KPa的有机化合物，包括烃类、卤代烃、氧烃和氮烃等。在我们的日常生活当中，工业排放如化工厂排出的工业尾气、废弃物焚烧的烟气中就含有多种VOC;机动车排放的尾气中含有未完全燃烧的烃类物质。室内装饰、装修材料如油漆及其溶剂、木材防腐剂、涂料、胶合板等，常温下可以释放出甲苯、苯、二甲苯等多种挥发性有机化合物。日常使用的化妆品、杀虫剂、各种洗涤剂也会向大气中排放V0C。可见，VOC的来源十分广泛，而且它不单污染环境，还危害人体健康，因此是各国严厉限制的物质之一。
[0003]丙酮作为一种常见的VOC化合物，主要是对中枢神经系统有抑制、麻醉作用。即当空气中VOC达到一定浓度时，会引起头痛、恶心、呕吐、乏力等症状，严重时甚至引发抽搐、昏迷，伤害肝脏、肾脏、大脑和神经系统，造成记忆力减退等严重后果。丙酮对人体的长期损害，表现为对眼的刺激如流泪、畏光和角膜上皮浸润等，还可表现为眩晕、灼热感，咽喉刺激、咳嗽等。鉴于此，我们对于丙酮蒸汽的检测具有十分重要的意义。
[0004]在种类众多的气体传感器中，以半导体氧化物为敏感材料的电阻型气体传感器具有灵敏度高、检测下限低、响应和恢复速度快、成本较低等优点，是目前应用最广泛的气体传感器之一。但选择性一般，功耗大，抗干扰能力差等缺点也严重制约了其发展，因此以半导体氧化物为主体进行掺杂和修饰已经成为解决这些问题非常必要的手段。
[0005]作为一种常见的η型半导体氧化物材料，C1-Fe2O3具有无毒性、成本低、易合成、稳定性高等诸多优点，因此，其作为敏感材料被广泛应用于气体传感器领域，然而，大多数基于Ct-Fe2O3的气体传感器都具有较低的灵敏度和较高的最佳工作温度，这也极大地限制了其实际应用。
[0006]石墨烯是碳原子以Sp2杂化方式构成的单层蜂窝状原子薄膜，作为最新一代的碳材料，其比表面积大、导电性强、载流子迀移速率快、具有气体吸附能力等诸多优点让它在材料科学领域引发了一场革命。在诸多领域，石墨烯都被认为是潜在的最有前途的材料，当然在气体传感器领域也不例外，石墨烯本身就被报道能检测单分子的NO2,石墨烯修饰的各种金属氧化物也表现出了比单一的氧化物更加优良的气敏特性。因此，将石墨烯和Ct-Fe2O3进行复合有很大可能去改善其气敏特性。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是提供一种基于rGOAt-Fe2O3异质结构复合物的丙酮传感器及其制备方法。
[0008]利用rGOAt-Fe2O3异质结构复合物作为敏感材料。一方面石墨烯本身具有很高的比表面积和气体吸附能力，因而将极大地增加被检测气体的吸附量，进而提高其灵敏度;另一方面，石墨烯的引入也将改变Ct-Fe2O3的晶粒聚集过程，抑制了晶粒的过分聚集，使其晶体尺寸变小，同样对氧化物表面进行的氧气吸附和被检测气体分子的化学反应非常有利;此夕卜，由于还原氧化石墨稀(reduced Graphene Oxide ,r GO)的p型导电性和a_Fe203的η型导电性，二者的结合能形成ρ-η异质结，这些异质结的出现会提供更多的反应活性位点，在结点处出现电荷分离，另外，二者功函数的不同也导致了载流子在二者之间的交换，这种电荷的交流同样对氧化物的气敏特性有很大提升。这几个方面的共同作用大幅提高了气体与敏感材料的反应效率，进而提高了传感器的灵敏度。同时，本发明所采用的市售的管式结构传感器制作工艺简单，体积小，利于工业上批量生产，因此具有重要的应用价值。
[0009]本发明所使用的氧化石墨稀(Graphene Oxide，G0)，由改进的Hummers法制备(Kovtyukhova,N.1.；011ivier,P.J.;Martin ,B.R.；Mal1uk,T.E.；Chizhik,S.A.；Buzaneva,E.V.；Gorchinskiy,A.D.,Layer-by-layer assembly of ultrathin compositefilms from micron-sized graphite oxide sheets and polycat1ns.Chemistry OfMaterials 1999,11(3),771-778.)o
[0010]本发明所述的一种基于rGOAt-Fe2O3异质结构复合物的丙酮传感器，其由外表面自带有2个彼此分立环形金电极的Al2O3陶瓷管、均匀地涂覆在环形金电极和Al2O3陶瓷管外表面的敏感材料薄膜、Al2O3陶瓷管内部的镍镉合金线圈组成，其特征在于，敏感材料为rGOAt-Fe2O3异质结构复合物，其由如下步骤制备得到:
[0011]①取12mg冻干后的氧化石墨烯粉体，加入15?20mL去离子水，超声45?60分钟，得到均一透明的溶液;将4.054g六水合三氯化铁和1.0?1.5g六次甲基四胺在不断搅拌下溶解进15?20mL乙醇中；然后将上述两种溶液混合，搅拌15?20分钟得到均一的溶液；
[0012]②将步骤①得到的混合溶液在160?180°C下水热反应12?15小时，在这个过程中，G0被还原为r G0，并与Ct-Fe2O3晶体复合;冷却到室温后，高速离心得到沉淀，将沉淀依次用去离子水和无水乙醇洗涤数次，再在80?90°C下真空干燥16?24小时，然后在200?250°C下真空煅烧2?3小时，通过热重分析测试，得到质量分数为I?1.5%的r G0/a-Fe203异质结构复合物粉末。
[0013]本发明所述的一种基于rGOAt-Fe2O3异质结构复合物的丙酮传感器的制备方法，其步骤如下:
[OOM]①将r G0/a-Fe203异质结构复合物粉末与去离子水按质量比2?5:1混合，并研磨形成糊状浆料，然后用笔刷蘸取少量浆料均匀地涂覆在市售的外表面自带有2个环形金电极的Al2O3陶瓷管表面，形成10?30μπι厚的敏感材料薄膜，陶瓷管的长为4?4.5mm，外径为1.2?1.5mm,内径为0.8?1.0mm，金电极为环形电极，宽度为0.5?1.0mm，并使敏感材料完全覆盖环形金电极；
[0015]②在红外灯下烘烤30?45分钟，待敏感材料干燥后，把Al2O3陶瓷管在150?200°C下煅烧2?3小时;然后将电阻值为30?40 Ω的镍镉合金线圈穿过Al2O3陶瓷管内部作为加热丝，最后将上述器件按照通用旁热式气敏元件进行焊接和封装，从而得到r GOAt-Fe2O3异质结构复合物丙酮传感器。
[0016]本发明制备的rGOAt-Fe2O3异质结构复合物气体传感器具有以下优点:
[0017]1.利用一步水热法制备该敏感材料，合成方法简单，成本低廉；
[0018]2.通过将新一代碳材料石墨稀和传统的金属氧化物a-Fe203两种材料相结合，提高了对丙酮的灵敏度，且具有快速的响应速度和良好的可逆性，在检测微环境中丙酮含量方面有广阔的应用前景；
[0019]3.采用市售管式传感器，器件工艺简单，体积小，适于大批量生产。
【附图说明】
[0020]图l:rGOAt-Fe2O3异质结构复合物的SEM形貌图，其中a图的放大倍数为2000倍，b图的放大倍数为10000倍；
[0021]图2:r G0/a-Fe203异质结构复合物的XRD图；
[0022]图3:rG0/a-Fe203旁热式丙酮传感器的结构不意图；
[0023]图4:对比例和实施例中传感器在不同工作温度下对10ppm丙酮的灵敏度对比图；
[0024]图5:对比例和实施例中传感器在工作温度分别为237.5和225°C、丙酮浓度为