一种基于多孔CuFe2O4微球敏感材料的丙酮气体传感器及其制备方法与流程

本发明属于半导体氧化物气体传感器技术领域，具体涉及一种基于多孔cufe2o4微球敏感材料的丙酮气体传感器及其制备方法。

背景技术

丙酮作为一种常见的有机溶剂，具有无色、透明、活泼、易燃、易挥发并具有辛辣气味的液体。丙酮对中枢神经系统具有抑制和麻醉作用，当空气中voc达到一定浓度时会引起头痛、恶心、乏力等症状，严重时甚至引起抽搐、昏迷，对肝脏、肾脏、大脑和神经系统造成严重伤害并引起记忆力减退等严重后果。丙酮同其他有机溶剂一样遇明火、高热极易燃烧爆炸，且爆炸极限为2.55％～12.8％，因此对于丙酮气体的检测具有十分重要的意义。

半导体氧化物气体传感器是以半导体氧化物为敏感材料的电阻型气体传感器，与其它类型的传感器相比，半导体氧化物型气体传感器具有灵敏度高、检测下限低、响应恢复速度快以及成本低的有点，是目前应用最广泛的气体传感器之一。随着纳米科学与技术的发展，可以通过将气敏材料调控成纳米结构能够极大的提高材料的比表面积，增加表面活性位点，使材料的气敏特性得到改善。

cufe2o4是一种具有反尖晶石结构的半导体氧化物，其容易合成，具有低毒以及高的热稳定性被认为是具有发展潜力的敏感材料之一。此外，cufe2o4还表现出优异的催化性能，磁性以及电子传导性能，然而cufe2o4材料应用于气体传感器的报道非常少。因而有必要开发一种简单的方法制备cufe2o4敏感材料并调控其微纳结构，获得高性能的气体传感器。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于多孔cufe2o4微球敏感材料的丙酮气体传感器及其制备方法。

本发明以多孔cufe2o4微球作为敏感材料，一方面cufe2o4作为半导体氧化物材料具有无毒、资源丰富的特点；另一方面，多孔cufe2o4微球具有分等级结构，具有相对较大的比表面积，疏松多孔，能够提高待测气体与敏感材料表面的反应效率，从而进一步提高材料的灵敏度。

本发明所述的一种基于多孔cufe2o4微球敏感材料的丙酮气体传感器为管式结构，由外表面带有两条平行、环状且彼此分立的au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半导体氧化物敏感材料、穿过al2o3陶瓷管内部的镍铬合金加热线圈组成，其特征在于：半导体氧化物敏感材料为多孔cufe2o4微球敏感材料，且其由如下步骤如下制备得到：

(1)将3～5mmolcucl2·2h2o和6～10mmolfecl3·6h2o以摩尔比1：2的比例溶于60～80ml乙二醇溶液中，磁力搅拌10～20min；

(2)将1.5～1.7g的醋酸钠((ch3coona)·3h2o)粉末加入到步骤(1)得到的溶液中，继续磁力搅拌15～20min；

(3)将0.9～1.1g十二烷基三甲基溴化铵加入到步骤(2)的溶液中，继续磁力搅拌15～20min；

(4)将步骤(3)得到的溶液在180～200℃下恒温反应10～14h，然后自然冷却至室温，用去离子水和乙醇分别洗涤3～5次后于70～90℃真空干燥；

(5)将步骤(4)得到的材料于350～450℃煅烧1～2h，得到多孔cufe2o4微球敏感材料粉末。

一种基于多孔cufe2o4微球敏感材料的丙酮气体传感器的制备方法，传感器为旁热式结构，其制备步骤如下：

将多孔cufe2o4微球敏感材料粉末与去离子水按质量比1～3：1的比例混合，并研磨成糊状浆料，然后用毛刷蘸取少量浆料均匀地涂覆在外表面带有两条平行、环状且彼此分立的金电极的al2o3陶瓷管表面，形成100～200μm厚的敏感材料薄膜，并使敏感材料完全覆盖环形金电极；陶瓷管的长为4～4.5mm，外径为1.2～1.5mm，内径为0.8～1.0mm；环形金电极的宽度为0.7～0.9mm，两个电极的间距为1.7～1.9mm；然后在红外灯下烘烤30～45分钟，待敏感材料干燥后，把al2o3陶瓷管在400～450℃下煅烧2～3小时；然后将电阻值为30～40ω的镍铬合金加热线圈穿过al2o3陶瓷管内部作为加热丝，最后按照旁热式气敏元件进行焊接和封装，从而得到基于多孔cufe2o4微球敏感材料的丙酮气体传感器。

本发明的优点在于：

(1)采用一步溶剂热方法制备出多孔cufe2o4微球敏感材料粉末，所获得的材料为由纳米颗粒组成的分等级结构多孔cufe2o4微球，形貌独特、均一；

(2)所制备的多孔cufe2o4微球敏感材料对丙酮具有优异的气敏特性，包括高的灵敏度和选择性，快速的响应恢复特性；

(3)本发明制作的基于多孔cufe2o4微球敏感材料丙酮气体传感器制作工艺简单，成本低廉，体积小，适合工业上批量生产。

附图说明

图1(a-c)为本发明实施例制备的多孔cufe2o4微球敏感材料的sem图。其中(a)图的放大倍率为80000，(b)图的放大倍率为200000倍，(c)图的放大倍率为300000倍；

图2为本发明所述的基于多孔cufe2o4微球敏感材料的丙酮气体传感器的结构示意图；

图3为实施例制备的传感器在不同工作温度下对100ppm丙酮的响应(灵敏度)曲线；

图4为实施例制备的传感器在250℃下对100ppm丙酮、乙醇、甲醇、甲醛、甲苯的选择性柱形图。

图5为实施例在最佳工作温度下对不同浓度丙酮气体的瞬态响应曲线。

如图1所示，从图a和b中可以看出所制备的cufe2o4材料呈球状，且分散良好，形状均一。从图c中可以看出cufe2o4微球是由10～15nm的纳米颗粒组成的，呈多孔结构，球的直径约为150～200nm；

如图2所示，各部件名称为al2o3陶瓷管1，半导体敏感材料2，镍铬合金加热线圈3，环形金电极4，铂丝引脚5；

如图3所示，为本发明中实施例在不同工作温度下对100ppm丙酮的响应曲线。可以看到实施例的最佳工作温度为250℃，此时器件的灵敏度最佳为20.6。

如图4所示，为本发明所述的对比例和实施例在最佳工作温度250℃下对100ppm不同气体的选择性柱形图，可以看到实施例体现了对丙酮较好的选择性。

如图5所示，为本发明所述的实施例在最佳工作温度下对不同浓度丙酮的响应曲线，可以看到随着丙酮浓度的增加，实施例传感器的响应逐渐增加，检测下限为1ppm。

具体实施方式

实施例1：

1.将3mmolcucl2·2h2o和6mmolfecl3·6h2o以摩尔比1：2的比例溶于70ml乙二醇溶液中，磁力搅拌15min；

2.将1.6g的醋酸钠((ch3coona)·3h2o)加入到步骤(1)得到的溶液中，继续磁力搅拌15min；

3.将1.0g十二烷基三甲基溴化铵加入到步骤(2)的溶液中，继续磁力搅拌15min；

4.将步骤(3)得到的溶液在200℃下恒温反应12h，然后自然冷却至室温，用去离子水和乙醇分别洗涤3次后于80℃真空干燥；

5.将步骤(3)得到的材料于400℃煅烧2h，得到多孔cufe2o4微球敏感材料粉末，产物质量约为300mg；

6.将敏感材料多孔cufe2o4微球敏感材料粉末与去离子水按照质量比3：1混合并研磨成糊状浆料，然后用毛刷将上述浆料均匀的涂覆在市售的外表面带有两条平行、环状且彼此分立的金电极的al2o3陶瓷管表面，形成100μm左右厚度的敏感材料薄膜，并使敏感材料完全覆盖住环形金电极，其中，陶瓷管的长度为4mm，外径为1.2mm，内径为0.8mm，两个环形金电极的宽度为0.8mm，两个电极的间距为1.8mm。每个电极上均连接有两根铂丝作为引脚，铂丝的长度约为9mm；

7.将涂有敏感材料的氧化铝陶瓷管在红外灯下烘烤30min，待敏感材料完全干燥后，把氧化铝陶瓷管放入马弗炉中于400℃下煅烧2h，然后将一根电阻值为30ω左右，匝数为40圈的镍铬合金加热线圈从陶瓷管内部穿出作为加热丝，最后将上述器件按照旁热式气敏元件进行焊接和封装，得到基于多孔cufe2o4微球敏感材料的丙酮气体传感器。