一种基于Pt纳米团簇负载的ZnO纳米线敏感材料的NO2气体传感器及其制备方法

本发明属于半导体金属氧化物气体传感器，具体涉及一种基于pt纳米团簇负载的zno纳米线敏感材料的no2气体传感器及其制备方法。

背景技术：

1、二氧化氮(no2)是一种红棕色、有刺激性气味的可燃气体。作为空气中主要的污染物之一，no2是酸雨、全球变暖、光化学烟雾等自然灾害的主要污染源。其排放主要来自于化石燃料的燃烧、汽车尾气以及工业废气等。除了对环境的污染之外，no2气体也会对人体造成巨大的伤害，吸入no2不仅会损伤人体的呼吸道和免疫系统，从而增加心血管疾病和呼吸道疾病的风险；而且还会增加包括哮喘等慢性疾病的发病率。世界卫生组织将环境中no2浓度的上限设为82ppb。因此，为了环境保护和人体健康，有必要制备高性能气体传感器来实时监控环境中no2浓度。

2、在种类众多的气体传感器中，以半导体金属氧化物为敏感材料的电阻型气体传感器具有响应值高、高稳定性、选择性好、响应和恢复速度快、制作方法简单、成本较低等优点，是目前应用最广泛的气体传感器之一。

3、氧化锌(zno)是一种典型的n型半导体材料，常温下禁带宽度eg＝3.37ev。由于其高电子迁移率和优秀的热稳定性，被广泛用于气敏材料，并且很多研究表明，zno对检测no2气体有良好的特异性。贵金属(金、银、铂、钯等)负载是一种改善半导体氧化物气敏性能的常用方法。为了开发高性能的zno气体传感器，本发明利用简单的水热法和模板牺牲法获得了铂(pt)纳米团簇负载的zno纳米线材料，并证实了这种纳米材料对低浓度的no2具有高响应(26.1～100ppb)和良好的选择性。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于pt纳米团簇负载的zno敏感材料的no2气体传感器及其制备方法。

2、本发明使用简单的水热法和模板牺牲法，先利用乙二胺四乙酸二钠(edta-2na)、氯亚铂酸钾(k2ptcl4)、碳酸钠(na2co3)和稀盐酸溶液(hcl)合成了铂负载的氮掺杂石墨烯(记为pt/ng)，再利用二水合乙酸锌(zn(ch3coo)2·2h2o)、十二烷基硫酸钠(sds)、聚乙二醇-400(peg-400)和氢氧化钠(naoh)水热合成了zno纳米线敏感材料，最后利用模板牺牲法制备了pt纳米团簇负载的zno纳米线敏感材料。本发明所采用的市售的旁热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，在特定环境中检测二氧化氮方面有广阔的应用前景。

3、本发明所述的一种基于pt纳米团簇负载的zno纳米线敏感材料的no2气体传感器，由外表面带有两条平行、环状且彼此分立的金电极的al2o3陶瓷管衬底、涂覆在al2o3陶瓷管外表面和金电极上的敏感材料、置于al2o3陶瓷管内的镍铬加热线圈组成；其特征在于：敏感材料为pt纳米团簇负载的zno纳米线敏感材料，且由如下步骤制备得到，

4、(1)将7～9g edta-2na和0.008～0.012mg k2ptcl4加入到150～250ml的去离子水中，在70～90℃下持续搅拌6～10小时；

5、(2)将步骤(1)得到的溶液蒸发溶剂，然后在-35～-45℃下冷冻干燥12～16小时；将得到的粉末与na2co3以质量比1：4～6的比例混合并研磨，研磨后的粉末在气流速率150～250ml/min的ar中于800～900℃下煅烧0.5～1.5小时(升温速率为2～5℃/min)，冷却至室温后将得到的粉末用质量分数10～15％的稀盐酸浸泡1～2小时，之后将混合物用去离子水多次离心清洗，再将离心产物在室温下干燥，从而得到pt担载的n掺杂石墨烯粉末，记为pt/ng；

6、(3)称取12～15ml peg-400和55～60ml无水乙醇，混合后配置成溶液；

7、(4)取0.20～0.25g zn(ch3coo)2·2h2o、0.04～0.06g十二烷基硫酸钠和1.2～1.3g naoh加入到步骤(3)中的溶液中，不断搅拌1.5～2.5小时；

8、(5)把步骤(4)得到的溶液转移到水热釜中，在160～200℃下保持22～26小时后取出，自然冷却到室温后过滤，将得到的沉淀用去离子水和无水乙醇多次离心清洗，然后在室温下干燥；将得到的粉末在空气中450～550℃下煅烧1.5～2.5小时，冷却至室温后得到氧化锌纳米线敏感材料；

9、(6)取0.01～0.03g步骤(2)得到的pt/ng材料与0.08～0.12g步骤(5)得到的氧化锌纳米线敏感材料加入到30～50ml无水乙醇溶液中并在室温下搅拌0.5～1.5小时；将所得沉淀用去离子水和无水乙醇多次离心清洗，然后在室温下干燥；将得到的粉末在空气中400～500℃下煅烧2.5～3.5小时，冷却至室温后得到pt纳米团簇负载的zno纳米线敏感材料粉末(记为pt-zno敏感材料)。

10、本发明所述的基于pt纳米团簇负载的zno纳米线敏感材料的no2气体传感器的制备方法，传感器采用旁热式结构，其步骤如下：

11、(1)取pt纳米团簇负载的zno纳米线敏感材料粉末与无水乙醇按质量比0.25～0.5：1的比例混合，形成糊状浆料；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陶瓷管衬底上，使其完全覆盖al2o3陶瓷管和金电极并形成20～30μm厚的敏感材料薄膜；al2o3陶瓷管的内径为0.6～0.8mm，外径为1.0～1.5mm，长度为4～5mm；单个环形金电极的宽度为0.4～0.5mm，两条金电极的间距为0.5～0.6mm；金电极上引出铂丝导线，其长度为4～6mm；

12、(2)将涂覆好的al2o3陶瓷管在红外灯下烘烤5～10分钟，待敏感材料干燥后，将匝数为20～30匝的镍铬加热线圈穿过al2o3陶瓷管内部作为加热丝(镍铬加热线圈的电阻值为25～35ω)，最后将al2o3陶瓷管按照旁热式气敏元件进行焊接和封装，从而得到本发明所述的基于pt纳米团簇负载的zno纳米线敏感材料的no2气体传感器。

13、本发明制备的基于pt纳米团簇负载的zno纳米线敏感材料的no2气体传感器具有以下优点：

14、1.利用简单的水热法和模板牺牲法成功制备出pt纳米团簇负载的zno纳米线敏感材料，合成方法简单，成本低廉；

15、2.利用n掺杂石墨烯作为pt的支持衬底，通过将微量的pt纳米团簇负载在zno材料表面，显著提高了zno基传感器对no2响应值(26.1～100ppb)并降低了传感器对no2气体检测的工作温度，使得传感器具有优秀的选择性和良好的长期稳定性，在检测环境中微量no2有广阔的应用前景；

16、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。

技术特征：

1.一种基于pt纳米团簇负载的zno纳米线敏感材料的no2气体传感器，由外表面带有两条平行、环状且彼此分立的金电极的al2o3陶瓷管衬底、涂覆在al2o3陶瓷管外表面和金电极上的敏感材料、置于al2o3陶瓷管内的镍铬加热线圈组成；其特征在于：敏感材料为pt纳米团簇负载的zno纳米线材料，且由如下步骤制备得到，

2.如权利要求1所述的一种基于pt纳米团簇负载的zno纳米线敏感材料的no2气体传感器，其特征在于：al2o3陶瓷管的内径为0.6～0.8mm，外径为1.0～1.5mm，长度为4～5mm；单个环形金电极的宽度为0.4～0.5mm，两条金电极的间距为0.5～0.6mm；金电极上引出铂丝导线，其长度为4～6mm。

3.权利要求1或2所述的一种基于pt纳米团簇负载的zno纳米线敏感材料的no2气体传感器的制备方法，其步骤如下：

技术总结一种基于Pt纳米团簇负载的ZnO纳米线敏感材料的NO<subgt;2</subgt;气体传感器及其制备方法，属于金属氧化物半导体气体传感器技术领域。气体传感器是由外表面带有两条平行、环状且彼此分立的金电极的Al<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;陶瓷管衬底、涂敷在金电极和陶瓷管上的Pt纳米团簇负载的ZnO纳米线敏感材料、以及穿过Al<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;陶瓷管的镍铬合金加热线圈组成。本发明使用简单的水热法和模板牺牲法，制备得到了Pt纳米团簇负载的ZnO纳米线敏感材料。该传感器对NO<subgt;2</subgt;气体表现出卓越的选择性、高灵敏度以及良好的抗湿性，且有较好的长期稳定性。本发明制作工艺简单，体积小，利于工业上批量生产，具有重要的应用价值，在特定环境中检测二氧化氮方面有广阔的应用前景。技术研发人员：卢革宇,卜伟益,揣晓红受保护的技术使用者：吉林大学技术研发日：技术公布日：2024/7/23