一种基于二硫化锡纳米花/碳量子点复合材料的二氧化氮传感器

本发明涉及一种基于二硫化锡纳米花/碳量子点复合材料的二氧化氮传感器，属于气敏传感器材料制备。

背景技术：

1、在工业发展过程中，不可避免地会产生废气，包括氮氧化物、硫化物、碳化物和挥发性有机化合物气体。长时间暴露于低浓度二氧化氮可引起人体感染某些呼吸系统疾病，如支气管炎、肺水肿和哮喘。此外，二氧化氮与水、氧以及其他化学物质反应产生的酸雨会影响生态系统。因此，准确的低浓度二氧化氮气体检测对人类健康和环境保护至关重要。另一方面，二氧化氮可以作为一种生物标志物，表明一个人在特定组织或器官的身体状态。例如，呼气分析结果有助于诊断长期感染和胃肠道紊乱症状。鉴于二氧化氮检测的重要性和二氧化氮气体传感器的广泛应用，开发能够快速准确地识别二氧化氮气体并具有高选择性的高性能二氧化氮探测器至关重要。

2、经过半个多世纪的努力，基于电化学式、热导式、红外线式、固态电解质式、半导体式的气体传感器都得到了充分发展。其中，电阻型半导体式传感器凭借其灵敏度高、工作温度较低、制造工艺简单、成本低、体积小等优点成为研究热点。半导体气体传感器的工作原理基于气体与半导体材料表面之间的相互作用，从而引起电阻的变化。在没有气体作用时，半导体材料内的电流主要通过在晶格中自由移动的电子和空穴来传导。当气体分子与传感器表面发生相互作用时，敏感材料表面发生吸附、电子捕获或离子化等反应，导致电子和空穴浓度发生变化。这些反应改变了半导体材料的导电性能。

3、敏感材料是半导体气体传感器的核心部分，它会极大的影响气体传感器在灵敏度、选择性、可逆性、响应时间等方面的性能。具有二维层状结构的金属硫化物在二氧化氮气体传感领域得到越来越广泛关注。金属硫化物材料具有优异的分子吸附能力、高电子迁移率、高比表面积体积比、纳米级可膨胀厚度、易于表面功能化等优点。金属硫化物的气体选择性和检测灵敏度在许多情况下与吸附不同分析物的表面亲和力以及相关的表面电荷/极化效应有关。许多基于金属硫化物的传感器在低工作温度或室温下表现出优异的气敏性能，并且功耗更低。典型的金属硫化物半导体，如二硫化锡、二硫化钼和二硫化钨，是层状金属二硫化物材料，通过弱范德华力连接的多个硫-金属-硫层组成。其中二硫化锡对二氧化氮具有高吸附能和强烈的电子转移，是用于二氧化氮检测的极佳候选材料。然而基于二硫化硒的气体传感仍存在导电性差、响应和恢复缓慢等问题。因此，对二硫化锡进行有效改性突破上述瓶颈，从而实现低浓度二氧化氮的高选择性及高灵敏度检测是十分必要的。

技术实现思路

1、本发明针对传统超低浓度二氧化氮传感器无法实现高选择性及高灵敏度检测的问题，提供一种基于二硫化锡纳米花/碳量子点复合材料的二氧化氮传感器。

2、本发明的技术方案：

3、本发明的目的之一是提供一种二硫化硒纳米花/碳量子点复合敏感材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

4、(1)以l-谷氨酸和邻苯二胺为原料，采用第一步水热处理，得到碳量子点；

5、(2)以五水氯化锡、硫代乙酰胺和碳量子点为原料，采用第二步水热处理，得到复合敏感材料。

6、进一步限定，(1)中第一步水热处理的温度为210℃，时间为10h。

7、进一步限定，(2)中五水氯化锡、硫代乙酰胺和碳量子点的质量比为0.3506:0.1503:0.1g。

8、进一步限定，(2)中第二步水热处理的温度为160℃，时间为12h。

9、更进一步限定，(2)中第二步水热处理使用溶剂为无水乙醇。

10、本发明的目的之二是提供一种二氧化氮传感器，该传感器包括衬底、电极和敏感材料，电极印刷在衬底上，敏感材料沉积在电极上，其中敏感材料为上述制备方法得到的二硫化硒纳米花/碳量子点复合敏感材料。

11、进一步限定，衬底的材质为氧化铝、硅、氧化硅、聚甲基丙烯酸甲酯或聚酰亚胺。

12、进一步限定，电极为交指型的源极和漏极。

13、更进一步限定，源极和漏极为十对铬/金复合叉指电极，叉指间隙为50μm，铬/金复合叉指电极的宽度为30μm，厚度分别为10nm/30nm。

14、本发明的目的之三是提供一种上述二氧化氮传感器的应用，具体的用于室温无氧环境下的二氧化氮气体检测。

15、有益效果：

16、本发明采用两步水热法将碳量子点与二硫化锡纳米花复合形成零维-二维异质结，得到二硫化锡纳米花/碳量子点复合材料，该材料具有较高的比表面积，可以为二氧化氮气体分子的吸附提供足够的活性位点的同时，利用碳量子点提高二硫化锡的导电性，从而提高电子转移效率。作为敏感材料使用时，与二氧化氮气体分子接触，其表面发生吸附及相关电荷转移，吸附的二氧化氮气体分子充当电子受体，接收来自n型二维二硫化锡薄片的电子，实现强烈电荷掺杂，使敏感材料电阻增加，继而实现低浓度二氧化氮的高选择性及高灵敏度检测。此外，还可建立气体浓度与电流之间的关系模型，用敏感材料电阻变化的幅值大小表示二氧化氮浓度的高低。

技术特征：

1.一种二硫化硒纳米花/碳量子点复合敏感材料的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，(1)中第一步水热处理的温度为210℃，时间为10h。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，(2)中五水氯化锡、硫代乙酰胺和碳量子点的质量比为0.3506:0.1503:0.1g。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，(2)中第二步水热处理的温度为160℃，时间为12h。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，(2)中第二步水热处理使用溶剂为无水乙醇。

6.一种二氧化氮传感器，其特征在于，包括衬底、电极和敏感材料，电极印刷在衬底上，敏感材料沉积在电极上，所述的敏感材料为权利要求1～5任一项所述的制备方法得到的二硫化硒纳米花/碳量子点复合敏感材料。

7.根据权利要求6所述的二氧化氮传感器，其特征在于，衬底的材质为氧化铝、硅、氧化硅、聚甲基丙烯酸甲酯或聚酰亚胺。

8.根据权利要求6所述的二氧化氮传感器，其特征在于，电极为交指型的源极和漏极。

9.根据权利要求8所述的二氧化氮传感器，其特征在于，源极和漏极为十对铬/金复合叉指电极，叉指间隙为50μm，铬/金复合叉指电极的宽度为30μm，厚度分别为10nm/30nm。

10.一种权利要求6-8任一项所述的二氧化氮传感器的应用，其特征在于，用于无氧环境下的二氧化氮气体检测。

技术总结本发明公开了一种基于二硫化锡纳米花/碳量子点复合材料的二氧化氮传感器，属于气敏传感器材料制备技术领域。本发明解决了现有超低浓度二氧化氮传感器无法实现高选择性及高灵敏度检测的问题。本发明采用两步水热法将碳量子点与二硫化锡纳米花复合形成具有零维‑二维异质结的材料，该材料具有较高的比表面积，可以为二氧化氮气体分子的吸附提供足够的活性位点，并利用碳量子点提高二硫化锡的导电性，提高电子转移效率。作为敏感材料使用时，与二氧化氮气体分子接触，其表面发生吸附及相关电荷转移，吸附的气体分子充当电子受体，接收来自二硫化锡薄片的电子，实现强烈电荷掺杂，使敏感材料电阻增加，实现低浓度二氧化氮的高选择性及高灵敏度检测。技术研发人员：张甲,郭平,贺欣欣受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学技术研发日：技术公布日：2024/6/5