一种基于胶体量子点与WO3复合的二甲苯传感器

本发明属于气体传感器领域，具体涉及一种基于胶体量子点与wo3(氧化钨)复合材料的二甲苯传感器。

背景技术：

1、有毒有害气体的实时检测在环境监测、工业生产和家庭生活中越来越重要。二甲苯作为一种挥发性化合物(vocs)气体，广泛应用于塑料、橡胶、燃料添加剂的生产，是有机化学品的重要原料。但如果长时间接触，就会对上呼吸道产生刺激作用。短时间吸入高浓度的二甲苯气体，就会出现结膜和咽喉充血、头晕、头痛、恶心等症状。慢性二甲苯中毒会引起神经衰弱综合征，对于女性则会引起月经异常。因此，对二甲苯的实时监测迫在眉睫。

2、现有技术中，vocs的检测方法多种多样，如气相色谱-质谱(gc-ms)和荧光光谱(ftir)等，但现有检测方法往往耗时长、复杂、成本高。金属氧化物半导体(mos)气体传感器具有体积小、易集成、灵敏度好等优点，是理想的选择。此外，它还可以依靠物联网构建智能传感器系统，报警气体浓度的危险范围，识别气体污染源。

3、在众多金属半导体氧化物(mos)中，氧化钨(wo3)作为n型半导体的一员，广泛应用于电致变色材料、超级电容器、光催化、电催化和气体传感器等。wo3的价带达到2.7ev～3.4ev，具有窄带隙(eg＝2.5ev～2.8ev)和高效的电子传输特性(约12cm2/v)，使其成为最受欢迎的气体传感器材料之一。

4、然而，即便基于wo3材料的气体传感器取得一定的研究进展，但其高工作温度和低响应值限制了其应用。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中所存在的上述问题，本发明提供了一种基于胶体量子点与wo3复合材料的二甲苯传感器。

2、本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

3、一种基于胶体量子点与wo3复合的二甲苯传感器，包括：气体敏感单元和电极；

4、其中，所述气体敏感单元用于感知二甲苯气体，生成检测信号至所述电极，以使所述电极输出所述检测信号；

5、所述气体敏感单元，包括二甲苯气敏材料以及承载所述二甲苯气敏材料的单元本体；

6、所述二甲苯气敏材料是co3o4胶体量子点材料与wo3材料复合形成的材料；所述wo3材料是使用nh4cl作为封端剂合成的、具有多边缘及多孔径结构的wo3纳米片材料。

7、可选地，所述二甲苯传感器的工作温度为240℃±5℃。

8、可选地，所述wo3纳米片材料的制备过程包括：

9、在去离子水中加入na2wo4·2h2o和草酸进行搅拌，然后加入盐酸搅拌进行搅拌，得到溶液a；

10、在溶液a中加入nh4cl至充分溶解，得到溶液b；

11、将溶液b转移至聚四氟乙烯水热反应釜中进行水热反应，反应结束后冷却至室温进行离心收集，并依次进行清洗、干燥和煅烧，得到wo3纳米片材料。

12、可选地，所述co3o4胶体量子点材料的制备过程包括：

13、将乙酸钴添加至乙醇中搅拌至充分溶解，得到溶液c；

14、将溶液c在水浴条件下加入氨水，得到溶液d；

15、将溶液d转移至聚四氟乙烯水热反应釜内进行水热反应，反应结束后冷却至室温并使用丙酮进行离心收集，然后进行干燥和煅烧，得到co3o4胶体量子点材料。

16、可选地，所述二甲苯气敏材料的制备过程包括：

17、将co3o4胶体量子点材料分散在去离子水中，得到溶液e；

18、在溶液e中加入wo3纳米片材料后超声一段时长，然后通过搅拌至水分蒸发，得到二甲苯气敏材料。

19、可选地，所述气体敏感单元的制备过程包括：

20、将二甲苯气敏材料分散于去离子水中，形成浆状物；

21、将所述浆状物涂敷在所述单元本体的表面，通过煅烧使二甲苯气敏材料固定在所述单元本体上，得到气体敏感单元。

22、可选地，所述wo3纳米片材料的制备过程中的所述水热反应的温度为120℃±5℃。

23、可选地，所述清洗是用乙醇和去离子水进行交替清洗；所述干燥的温度为60℃-80℃；所述煅烧在马弗炉内进行，煅烧温度为550℃±10℃。

24、可选地，所述co3o4胶体量子点材料的制备过程中，所述水浴条件的温度为45℃±2℃；所述水热反应的温度为80℃±5℃；所述煅烧在马弗炉内进行，煅烧温度为350℃±10℃。

25、可选地，所述气体敏感单元的制备过程中，煅烧温度为350℃±10℃。

26、本发明提供的基于胶体量子点与wo3复合的二甲苯传感器具有以下有益效果：

27、(1)使用nh4cl作为封端剂合成了具有多边缘和孔径结构的wo3纳米片材料，适用于分子较大的二甲苯气体，为二甲苯气体反应提供了更多的反应场所和活性位点，这对传感器对二甲苯的响应值起到提升作用，提高了传感器对二甲苯的选择性。

28、(2)co3o4胶体量子点的直径在4nm～8nm之间，由于是小颗粒的催化剂，这将会提升敏感材料的利用率，增加材料的比表面积，有利于催化和降低反应所需的活化能，从而可使传感器的工作温度从320℃降低至240℃，从而降低传感器的功耗，提高传感器的使用寿命。

29、(3)在多边缘的wo3纳米片的基础上，加入了co3o4胶体量子点实现了p-n异质结接触的传感器性能的改进，同时co3o4胶体量子点也可作为预先吸附层，实现对二甲苯的优先吸附。

30、以下将结合附图及对本发明做进一步详细说明。

技术特征：

1.一种基于胶体量子点与wo3复合的二甲苯传感器，其特征在于，包括：气体敏感单元和电极；

2.根据权利要求1所述的基于胶体量子点与wo3复合材料的二甲苯传感器，其特征在于，所述二甲苯传感器的工作温度为240℃±5℃。

3.根据权利要求1所述的基于胶体量子点与wo3复合材料的二甲苯传感器，其特征在于，所述wo3纳米片材料的制备过程包括：

4.根据权利要求1所述的基于胶体量子点与wo3复合材料的二甲苯传感器，其特征在于，所述co3o4胶体量子点材料的制备过程包括：

5.根据权利要求1所述的基于胶体量子点与wo3复合材料的二甲苯传感器，其特征在于，所述二甲苯气敏材料的制备过程包括：

6.根据权利要求4所述的基于胶体量子点与wo3复合材料的二甲苯传感器，其特征在于，所述气体敏感单元的制备过程包括：

7.根据权利要求3所述的基于胶体量子点与wo3复合材料的二甲苯传感器，其特征在于，所述水热反应的温度为120℃±5℃。

8.根据权利要求3所述的基于胶体量子点与wo3复合材料的二甲苯传感器，其特征在于，所述清洗是用乙醇和去离子水进行交替清洗；所述干燥的温度为60℃-80℃；所述煅烧在马弗炉内进行，煅烧温度为550℃±10℃。

9.根据权利要求4所述的基于胶体量子点与wo3复合材料的二甲苯传感器，其特征在于，所述水浴条件的温度为45℃±2℃；所述水热反应的温度为80℃±5℃；所述煅烧在马弗炉内进行，煅烧温度为350℃±10℃。

10.根据权利要求6所述的基于胶体量子点与wo3复合材料的二甲苯传感器，其特征在于，煅烧温度为350℃±10℃。

技术总结
本发明公开了一种基于胶体量子点与WO<subgt;3</subgt;复合的二甲苯传感器，包括：气体敏感单元和电极；所述气体敏感单元用于感知二甲苯气体，生成检测信号至所述电极，以使所述电极输出所述检测信号；所述气体敏感单元，包括二甲苯气敏材料以及承载所述二甲苯气敏材料的单元本体；所述二甲苯气敏材料是Co<subgt;3</subgt;O<subgt;4</subgt;胶体量子点材料与WO<subgt;3</subgt;材料复合形成的材料；所述WO<subgt;3</subgt;材料是使用NH<subgt;4</subgt;Cl作为封端剂合成的、具有多边缘及多孔径结构的WO<subgt;3</subgt;纳米片材料。本发明提供的二甲苯传感器具有较低的工作温度和较高的响应值。

技术研发人员：程鹏飞,李旭,王莹麟,刘彦明,孙国盼,于悦洋,牛夏露
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14