介孔多晶ZnO纳米片及其制备方法与应用与流程

本发明属于气敏材料技术领域，具体来说涉及一种介孔多晶zno纳米片及其制备方法与应用。

背景技术：

甲醛是一种无色有强烈刺激性气味的挥发性气体，其毒性较高，已经被世界卫生组织确定为刺激、致敏、致癌、致突变和致畸形物质。除直接用作杀菌消毒剂外，甲醛还广泛应用于化工、制药、印染和建材等方面。近年来，由于各类装修材料的大量使用，室内甲醛含量经常超标，而且其释放期一般长达3–15年，对人体健康危害极大，已成为公认的室内第一杀手。gb/t18883-2002《室内空气质量标准》规定，居室空气中甲醛的最高容许浓度为0.10mg/m³(25℃时0.08ppm)。因此，甲醛的检测和监控具有重要的现实意义。当前，空气中甲醛的测定主要采用分光光度法(gb/t15516-1995、gb/t16129-1995)和气相色谱法(gb/t18204.26-2000)，具有设备昂贵，操作复杂，测试周期长等不足。气体传感器检测甲醛具有操作简便，在线检测，灵敏度高，响应时间短等优点，已引起研究者的广泛关注。金属氧化物半导体甲醛传感器的研究已经取得很大进展(sens.actuatorsb,2017,238,264-273；sens.actuatorsb,2017,247,798-806)，然而传感器的性能，比如灵敏度、响应-恢复时间和选择性等方面仍然有待提高。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种介孔多晶zno纳米片的制备方法。

本发明的另一目的是提供一种上述制备方法所得介孔多晶zno纳米片，该介孔多晶zno纳米片能够作为气敏材料检测空气中低浓度甲醛蒸汽，并且能够根据灵敏度和甲醛蒸汽浓度的工作曲线快速准确测定空气中甲醛蒸汽的浓度。

本发明的另一目的是提供一种上述介孔多晶zno纳米片作为气敏材料在检测空气中甲醛蒸汽中的应用。

本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。

一种介孔多晶zno纳米片的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，在磁力搅拌的条件下，将溶液a滴加到溶液b中，得到乳白色悬浊液，其中，溶液a滴加到溶液b中的滴加速率为1～2ml/min，

溶液a的制备方法为将xmol硝酸锌加入去离子水中，磁力搅拌至完全溶解，得到溶液a，其中，所述溶液a中硝酸锌的浓度为0.1～2mol/l；

溶液b的制备方法为将xmol的碳酸铵加入去离子水中，磁力搅拌至完全溶解，得到溶液b，其中，所述溶液b中碳酸铵的浓度为0.1～2mol/l；

在所述步骤1中，将所述溶液a滴加到溶液b中后再搅拌至少5min。

在所述步骤1中，所述溶液a中硝酸锌的浓度为0.8～1mol/l。

在所述步骤1中，所述溶液b中碳酸铵的浓度为0.8～1mol/l。

在所述步骤1中，硝酸锌与碳酸铵的摩尔比为1:1。

步骤2，将步骤1所得乳白色悬浊液于150～200℃下保温12～48h，自然冷却至室温20～25℃，离心后得到白色固体，用去离子水清洗所述白色固体，干燥得到所述介孔多晶zno纳米片。

在所述步骤2中，所述干燥的温度为60～80℃。

在所述步骤2中，所述干燥的时间为12～24h。

在所述步骤2中，所述去离子水清洗所述白色固体的次数为至少3次。

在所述步骤2中，所述乳白色悬浊液于150～200℃下保温12～48h的具体操作为：将所述乳白色悬浊液放置于聚四氟乙烯作为内衬的水热釜后密封该水热釜，将所述水热釜在烘箱中于150～200℃下保温12～48h。

在所述步骤2中，所述保温的温度为180℃。

上述制备方法所得介孔多晶zno纳米片。

在上述技术方案中，所述介孔多晶zno纳米片为片状结构，所述片状结构的厚度为15～30nm，宽度为30～1500nm，长度为100～1500nm。

在上述技术方案中，所述介孔多晶zno纳米片中形成介孔，所述介孔的平均孔径为16nm。

在上述技术方案中，所述介孔多晶zno纳米片的比表面积的平均数为40m²/g。

上述介孔多晶zno纳米片作为气敏材料在检测空气中甲醛蒸汽的应用。

在上述技术方案中，当甲醛蒸汽的浓度大于1ppm时，所述介孔多晶zno纳米片能够在避免乙醇蒸汽干扰的前提下检测空气中的甲醛蒸汽。

在上述技术方案中，所述介孔多晶zno纳米片能够在含有氨气、苯、甲苯、甲烷和/或氢气的空气中检测甲醛蒸汽。

在上述技术方案中，所述介孔多晶zno纳米片作为气敏材料检测空气中甲醛蒸汽的浓度下限为1ppm。

在上述技术方案中，所述介孔多晶zno纳米片的工作温度为350～400℃，优选为380℃。

在上述技术方案中，在380℃时，所述介孔多晶zno纳米片对1、10、50、100、200、400、600、800和1000ppm甲醛蒸汽的灵敏度的平均数依次分别为10.7、36.6、77.2、110.3、163.6、242.9、285.0、327.2和366.9。

在上述技术方案中，在380℃时，所述介孔多晶zno纳米片对200ppm甲醛蒸汽的响应时间为42～49s，恢复时间为15～32s。

本发明的有益效果如下：

本发明通过水热法制备得到了介孔多晶zno纳米片。本发明的制备方法成本低廉，操作简单，合成时间短，并且得到的产品纯度高，结晶性好。基于介孔多晶zno纳米片组装的旁热烧结式气敏元件(sens.actuatorsb,2017,250,189–197)在380℃最佳工作温度下，可以对空气中的低浓度甲醛实现高灵敏快速检测。此外，介孔多晶zno纳米片还表现了优异的选择性，特别是可以避免乙醇蒸汽的干扰。

附图说明

图1为实施例1所得介孔多晶zno纳米片的(a)xrd花样，(b)sem照片，(c)tem照片，(d)saed花样，(e)eds谱图和(f)bet分析(图1(f)中的插图为bjh孔分布)。

图2为实施例1所得介孔多晶zno纳米片的气敏性能：(a)对200ppm甲醛的灵敏度-温度关系，(b)在380℃时对1-1000ppm甲醛和乙醇的灵敏度-浓度关系，(c)在380℃时对1-1000ppm甲醛的双对数式灵敏度-浓度关系，(d)在380℃时对1-1000ppm甲醛的响应-恢复曲线，(e)在380℃时对1-1000ppm甲醛的响应-恢复时间(τres为响应时间，τrec为恢复时间)，以及(f)在380℃时对200ppm不同气体的选择性(气体从左至右依次为乙醇、甲醛、氨气、苯、甲苯、甲烷和氢气)。

图3为实施例2所得介孔多晶zno纳米片的(a)xrd花样，(b)sem照片，(c)tem照片，(d)eds谱图和(e)saed花样。

图4为实施例2所得介孔多晶zno纳米片的气敏性能：(a)在380℃时对1-1000ppm甲醛和乙醇的灵敏度-浓度关系，(b)在380℃时对200ppm甲醛的响应-恢复曲线。

图5为实施例3所得介孔多晶zno纳米片的(a)xrd花样，(b)sem照片，(c)tem照片，(d)eds谱图和(e)saed花样。

图6为实施例3所得介孔多晶zno纳米片的气敏性能：(a)在380℃时对1-1000ppm甲醛和乙醇的灵敏度-浓度关系，(b)在380℃时对200ppm甲醛的响应-恢复曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

下述实施例所涉及的仪器如下：

1.粉末x射线衍射

晶相结构用brukerd8advance型x射线衍射仪(xrd：x-raydiffraction)表征，cukα为辐射源(λ＝0.15406nm)，操作电压为40kv。

2.场发射扫描电子显微镜

形貌和尺寸用jeoljsm-6700f型场发射扫描电子显微镜(fesem：fieldemissionscanningelectronmicroscope)表征，工作电压为5kv。取微量粉末样品粘于导电胶上进行观察。

3.透射电子显微镜

形貌和微观结构用jeoljem-2010型透射电子显微镜(tem：transmissionelectronmicroscope)表征，加速电压为200kv。电镜附带能量色散x-射线光谱仪(eds：energydispersivex-rayspectroscopy)和选区电子衍射仪(saed：selectedareaelectrondiffraction)。固体样品处理方法如下：取少量样品放入无水乙醇中，经超声波分散10min后点滴到镀有碳膜的铜网上，室温晾干，待测。

4.比表面积和孔径分析仪

比表面积和孔分布由tristar3000型吸附仪通过n2吸附法测定，吸附温度为77k。在测试以前，所有样品均在300℃和10^-4pa条件下干燥脱气处理2h。比表面积应用bet(brunauer-emmett-teller)方法计算，孔径分布应用bjh(barrett-joyner-halenda)方法计算。

下述气体传感器的制备方法如下：

按照质量比1:1，取介孔多晶zno纳米片与曲拉通x-100，在小玛瑙研钵中充分混合，研磨成膏状浆料。然后将适量浆料均匀涂覆到氧化铝陶瓷管芯的外面形成敏感层，敏感层厚度50～100μm。氧化铝陶瓷管芯两端的每一侧预先印刷了一条金电极和两根铂丝。之后将涂好的氧化铝陶瓷管芯在马弗炉中350℃烧结1h，以除去有机粘合剂并增加敏感层的机械强度。最后将一根ni-cr加热丝插入氧化铝陶瓷管芯中，把加热丝的两端以及氧化铝陶瓷管芯上的四根铂丝焊接在六角基座上，从而组装成一支旁热烧结式气体传感器。

传感器(气体传感器，即旁热烧结式气体传感器)测试：气敏性能测试在ws-30a气敏元件测试系统(郑州炜盛电子科技有限公司)上完成。系统提供气体传感器加热电压(vh)和回路电源(vc：5v)，通过测试与传感器串联的负载电阻(rl：47kω)上的端电压(vout)来反应传感器的气敏特性。气敏性能测试过程中，采用静态配气法：将一定量的待测气体注入测试箱，在风扇作用下与空气充分混合，根据测试箱体积(18l)换算气体浓度。对于液态物质，先加热完全蒸发，混合，再根据理想气体状态方程计算气体浓度。

传感器电阻通过下式计算：

对还原性气体，灵敏度(s)由式(2)定义，其中ra和rg分别表示传感器在空气和待测气体中的电阻。

s＝ra/rg(2)

选择性(k)定义为同等条件下，两种不同气体(1和2)灵敏度的比值：

k＝s1/s2(3)

响应时间(τres)和恢复时间(τrec)定义为气体吸附或脱附情况下，传感器灵敏度变化到最终稳定值90％所需要的时间。

下述实施例中，药品均为市售试剂，使用前未经处理，购买源如下：

硝酸锌采用六水合硝酸锌，分析纯，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；碳酸铵，分析纯，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

实施例1

一种介孔多晶zno纳米片的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，在磁力搅拌的条件下，将溶液a滴加到溶液b中，得到乳白色悬浊液，溶液a滴加到溶液b中后再搅拌5min，其中，溶液a滴加到溶液b中的滴加速率为2ml/min，

溶液a的制备方法为将5.95g六水合硝酸锌加入20ml去离子水中，磁力搅拌5min至完全溶解，得到溶液a，其中，溶液a中六水合硝酸锌的浓度为1mol/l；

溶液b的制备方法为将1.92g碳酸铵加入20ml去离子水中，磁力搅拌5min至完全溶解，得到溶液b，其中，溶液b中碳酸铵的浓度为1mol/l；

步骤2，将步骤1所得乳白色悬浊液放置于50ml容积的聚四氟乙烯作为内衬的水热釜后密封该水热釜，将水热釜在烘箱中于180℃下保温24h，自然冷却至室温20～25℃，离心后得到白色固体，用去离子水清洗白色固体3次，80℃干燥12h得到白色粉末状的介孔多晶zno纳米片。

实施例1所得介孔多晶zno纳米片的表征如下：

图1为实施例1所得介孔多晶zno纳米片的(a)xrd花样，(b)sem照片，(c)tem照片，(d)saed花样、(e)eds谱图和(f)bet分析(图1(f)中的插图为bjh孔分布)。

所得白色粉末的xrd花样见图1(a)，表明其属于六方纤锌矿结构的zno(pdf卡片：36-1451)，纯度较高(未见杂质峰)且结晶性很好(衍射峰尖锐，由jade软件计算其结晶度＞98％)。

sem照片显示样品的形貌是纳米片，边长100-200nm，宽度为50～100nm，厚度约20nm，见图1(b)。

tem照片显示样品的厚度均匀，表面分布丰富的介孔，见图1(c)。

相应的saed花样表明介孔多晶zno纳米片是多晶结构(衍射环)，且结晶度较高(斑点明亮)，见图1(d)。

图1(e)的eds谱图只有cu、zn和o三种元素，其中cu元素来自tem分析的铜网，进一步说明所得样品是zno，并且其纯度较高。

氮气吸脱附曲线出现明显的滞后环，说明样品含有丰富的介孔，见图1(f)。根据bjh法计算样品的孔径分布见图1(f)的插图，可见孔径主要集中在10–50nm。根据bet方程计算样品的比表面积高达42.74m²/g，经过测定，本发明介孔多晶zno纳米片的比表面积的平均数为40m²/g。

图2为实施例1所得介孔多晶zno纳米片的气敏性能：(a)对200ppm甲醛的灵敏度-温度关系，(b)在380℃时对1-1000ppm甲醛和乙醇的灵敏度-浓度关系，(c)在380℃时对1-1000ppm甲醛的双对数式灵敏度-浓度关系，(d)在380℃时对1-1000ppm甲醛的响应-恢复曲线，(e)在380℃时对1-1000ppm甲醛的响应-恢复时间，(f)以及在380℃时对200ppm不同气体的选择性。

将所制备的介孔多晶zno纳米片制成旁热烧结式气体传感器，元件对200ppm甲醛在380℃时表现了最高的灵敏度(s＝227.4)，380℃定为样品(介孔多晶zno纳米片)的最佳工作温度，见图2(a)。

图2(b)展示了在380℃时样品对1-1000ppm甲醛和乙醇的灵敏度-浓度关系，可见样品对甲醛的灵敏度明显高于其对乙醇的灵敏度，说明样品作为气敏材料检测甲醛可以避免乙醇的干扰，而一般情况下，zno材料对乙醇的灵敏度明显高于其对甲醛的灵敏度(sens.actuatorsb,2013,183,110–116)。

以双对数形式表示的灵敏度-浓度关系符合很好的线性(相对校正系数adj.r²＝0.9993)，说明基于所得样品制备的气体传感器可以简化器件结构，见图2(c)。

在380℃时，样品对1-1000ppm甲醛的响应-恢复曲线见图2(d)，表明样品具有良好的响应-恢复行为，并且响应-恢复时间较短。

如图2(b)和2(e)所示，实施例1所得介孔多晶zno纳米片对1、10、50、100、200、400、600、800和1000ppm甲醛蒸汽的灵敏度、响应时间和恢复时间如下：

介孔多晶zno纳米片对1ppm甲醛蒸汽的灵敏度为15.6，响应时间为58s，恢复时间为53s。

介孔多晶zno纳米片对10ppm甲醛蒸汽的灵敏度为50.9，响应时间为44s，恢复时间为12s。

介孔多晶zno纳米片对50ppm甲醛蒸汽的灵敏度为107.3，响应时间为63s，恢复时间为25s。

介孔多晶zno纳米片对100ppm甲醛蒸汽的灵敏度为153.4，响应时间为37s，恢复时间为20s。

介孔多晶zno纳米片对200ppm甲醛蒸汽的灵敏度为227.4，响应时间为42s，恢复时间为32s。

介孔多晶zno纳米片对400ppm甲醛蒸汽的灵敏度为337.7，响应时间为62s，恢复时间为14s。

介孔多晶zno纳米片对600ppm甲醛蒸汽的灵敏度为396.2，响应时间为70s，恢复时间为13s。

介孔多晶zno纳米片对800ppm甲醛蒸汽的灵敏度为454.9，响应时间为92s，恢复时间为19s。

介孔多晶zno纳米片对1000ppm甲醛蒸汽的灵敏度为510.1，响应时间为89s，恢复时间为8s。

气敏元件对200ppm不同气体的选择性见图2(f)，可见所制备的介孔多晶zno纳米片可以高选择性的检测甲醛(s甲醛：s其他气体＝k＞3)，避免其他气体的干扰，比如乙醇、氨气、苯、甲苯、甲烷和氢气。

实施例2

一种介孔多晶zno纳米片的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，在磁力搅拌的条件下，将溶液a滴加到溶液b中，得到乳白色悬浊液，溶液a滴加到溶液b中后再搅拌5min，其中，溶液a滴加到溶液b中的滴加速率为1ml/min，

溶液a的制备方法为将0.60g六水合硝酸锌加入20ml去离子水中，磁力搅拌5min至完全溶解，得到溶液a，其中，溶液a中六水合硝酸锌的浓度为0.1mol/l；

溶液b的制备方法为将0.20g的碳酸铵加入20ml去离子水中，磁力搅拌5min至完全溶解，得到溶液b，其中，溶液b中碳酸铵的浓度为0.1mol/l；

步骤2，将步骤1所得乳白色悬浊液放置于50ml容积的聚四氟乙烯作为内衬的水热釜后密封该水热釜，将水热釜在烘箱中于150℃下保温12h，自然冷却至室温20～25℃，离心后得到白色固体，用去离子水清洗白色固体3次，80℃干燥12h得到白色粉末状的介孔多晶zno纳米片。

实施例2所得介孔多晶zno纳米片的表征如下：

图3为实施例2所得介孔多晶zno纳米片的(a)xrd花样，(b)sem照片，(c)tem照片，(d)eds谱图和(e)saed花样。

实施例2所得白色粉末状的介孔多晶zno纳米片的xrd花样见图3(a)，表明其属于六方纤锌矿结构的zno(pdf卡片：36-1451)，纯度较高(未见杂质峰)且结晶性很好(衍射峰尖锐，结晶度＞95％)。sem照片显示样品的形貌是纳米片，边长100-200nm，宽度为50～100nm，厚度约20nm，见图3(b)。tem照片显示样品的厚度均匀，表面分布丰富的介孔，见图3(c)。图3(d)的eds谱图只有cu、zn和o三种元素，其中cu元素来自tem分析的铜网，进一步说明所得样品是zno，并且其纯度较高。相应的saed花样表明zno纳米片是多晶结构(衍射环)，且结晶度较高(斑点明亮)，见图3(e)。

图4为实施例2所得介孔多晶zno纳米片的气敏性能：(a)在380℃时对1-1000ppm甲醛和乙醇的灵敏度-浓度关系，(b)在380℃时对200ppm甲醛的响应-恢复曲线。

将实施例2所制备的介孔多晶zno纳米片制成旁热式烧结式气体传感器，在380℃时样品对1-1000ppm甲醛和乙醇的灵敏度-浓度关系见图4(a)。可见样品对甲醛的灵敏度较高而对乙醇的灵敏度较低，说明样品作为气敏材料检测甲醛可以避免乙醇的干扰。在380℃时，样品对200ppm甲醛的响应-恢复曲线见图4(b)，表明样品具有良好的响应-恢复行为，并且响应-恢复时间较短：响应和恢复时间分别为49s和15s，均在1min之内。

实施例3

一种介孔多晶zno纳米片的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，在磁力搅拌的条件下，将溶液a滴加到溶液b中，得到乳白色悬浊液，溶液a滴加到溶液b中后再搅拌5min，其中，溶液a滴加到溶液b中的滴加速率为2ml/min，

溶液a的制备方法为将11.9g六水合硝酸锌加入20ml去离子水中，磁力搅拌5min至完全溶解，得到溶液a，其中，溶液a中六水合硝酸锌的浓度为2mol/l；

溶液b的制备方法为将3.84g的碳酸铵加入20ml去离子水中，磁力搅拌5min至完全溶解，得到溶液b，其中，溶液b中碳酸铵的浓度为2mol/l；

步骤2，将步骤1所得乳白色悬浊液放置于50ml容积的聚四氟乙烯作为内衬的水热釜后密封该水热釜，将水热釜在烘箱中于200℃下保温48h，自然冷却至室温20～25℃，离心后得到白色固体，用去离子水清洗白色固体3次，80℃干燥12h得到白色粉末状的介孔多晶zno纳米片。

实施例3所得介孔多晶zno纳米片的表征如下：

图5为实施例3所得介孔多晶zno纳米片的(a)xrd花样，(b)sem照片，(c)tem照片，(d)eds谱图和(e)saed花样。

所得白色粉末的xrd花样见图5(a)，表明其属于六方纤锌矿结构的zno(pdf卡片：36-1451)，纯度较高(未见杂质峰)且结晶性很好(衍射峰尖锐，结晶度＞95％)。sem照片显示样品的形貌是纳米片，长度为100–1500nm，宽度为100–1500nm，厚度约20nm，见图5(b)。tem照片显示样品的厚度均匀，表面分布丰富的介孔，见图5(c)。图5(d)的eds谱图只有cu、zn和o三种元素，其中cu元素来自tem分析的铜网，进一步说明所得样品是zno，并且其纯度较高。相应的saed花样表明zno纳米片是多晶结构(衍射环)，且结晶度较高(斑点明亮)，见图5(e)。

图6是实施例3所得介孔多晶zno纳米片的气敏性能：(a)在380℃时对1-1000ppm甲醛和乙醇的灵敏度-浓度关系，(b)在380℃时对200ppm甲醛的响应-恢复曲线。

将实施例3所制备的介孔多晶zno纳米片制成旁热式烧结式气体传感器，在380℃时样品对1-1000ppm甲醛和乙醇的灵敏度-浓度关系见图6(a)。可见样品对甲醛的灵敏度较高而对乙醇的灵敏度较低，说明样品作为气敏材料检测甲醛可以避免乙醇的干扰。在380℃时，样品对200ppm甲醛的响应-恢复曲线见图6(b)，表明样品具有良好的响应-恢复行为，并且响应-恢复时间较短：响应和恢复时间分别为47s和24s，均在1min之内。

在本发明的技术方案中，通过调整滴加速率、溶液a中浓度、溶液b中浓度、保温时间和温度均能实现与上述实施例一致的技术效果。

天津市应用基础与前沿技术研究计划(no.15jcqnjc02900)；国家自然科学基金(no.21601094、no.21401139、no.41503109)。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。