设置有正交氧化铜纳米片的ZnO纳米棒及相应的气体传感器的制作方法

本发明涉及用于各种应用(包括气体感测、光催化和水分解(splitting))的金属氧化物异质结构的领域。

背景技术：

1、公开的现有技术专利文献cn 106814113 a公开了一种基于zno纳米棒的半导体氧化物气体传感器，在该zno纳米棒上生长有cuo颗粒以便提供对h2s的良好敏感性。cuo颗粒均匀地分布在zno纳米棒上，并且显示出在20nm至50nm之间的直径。与其他气体如so2、cl2和o2相比，所得气体传感器显示出对h2s的良好敏感性以及良好选择性，特别是在50℃下。

2、公开的现有技术专利文献cn 107537501 a公开了一种用于生产zno/cuo复合材料的方法，所述zno/cuo复合材料旨在用于气体感测、光催化和水分解。zno/cuo复合材料包括zno基质和附着于所述基质的表面的cuo纳米颗粒的花状分层结构。cuo纳米颗粒的尺寸在10至50nm之间，而zno的分层结构的尺寸在10至20μm之间。

3、rutuja bhusari,jean-sébastien thomann,guillot,renaud leturcq,“morphology control of copper hydroxide based nanostructures in liquid phasesynthesis”,journal of crystal growth,volume 570,2021,126225,issn 0022-0248,https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2021.126225(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/s0022024821002001)公开了作为用于形成cuo的模板的基于氢氧化铜的纳米结构的合成和研究，更特别地，在液相中生长的基于氢氧化铜的纳米结构从1d纳米线到2d层状纳米片和3d纳米晶体的无模板自下而上合成和形状控制。

4、上述zno/cuo复合材料的气体敏感性仍然有限，特别是在室温或低于200℃的受控温度下。因此，希望增加这些材料的气体敏感性和/或选择性。

技术实现思路

1、技术问题

2、本发明具有克服上述现有技术的至少一个缺点的技术问题。更具体地，本发明具有提供具有增加的化学电阻式气体敏感性和/或选择性的金属氧化物异质结构的技术问题。

3、技术解决方案

4、本发明涉及一种气体传感器，其包括基底；沉积在所述基底上的至少两个电极；气体传感层，其包括沉积在所述至少两个电极上和所述至少两个电极之间的所述基底上的zno纳米棒，所述气体传感层显示出在与气体接触时变化的电阻率；其中zno纳米棒设置有横向氧化铜纳米片，以便赋予所述气体传感层对气体的敏感性，所述气体是o2、h2、co、乙醇和no2中的至少一种。

5、形成横向纳米片的氧化铜包括cuo。它还可包括cu2(oh)3cl和cu(oh)2。

6、根据优选的实施方式，zno纳米棒具有在1至10μm之间的长度。

7、根据优选的实施方式，zno纳米棒具有在50nm至600nm之间的直径。

8、根据优选的实施方式，zno纳米棒沿着纵向轴线延伸，且横向氧化铜纳米片在±15°的公差内、优选地在±10°的公差内垂直于纵向轴线。

9、根据优选的实施方式，设置有横向氧化铜纳米片的zno纳米棒具有每μm长度的zno纳米棒10至100个横向cuo纳米片的数量。

10、根据优选的实施方式，设置有横向氧化铜纳米片的zno纳米棒可通过权利要求13-18中任一项所述的方法获得。

11、有利地，气体传感器进一步包括用于使基底、至少两个电极和气体传感层处于至少100℃且最高达250℃的温度的电阻器尺寸。

12、本发明还涉及一种金属氧化物材料，其包括zno纳米棒；和附接至zno纳米棒的氧化铜颗粒；其中所述氧化铜颗粒是横向于所述zno纳米棒延伸的纳米片。

13、根据优选的实施方式，zno纳米棒具有在1至10μm之间的长度。

14、根据优选的实施方式，zno纳米棒具有在50至600nm之间的直径。

15、根据优选的实施方式，zno纳米棒沿着纵向轴线延伸，且横向氧化铜纳米片在±15°的公差内、优选地在±10°的公差内垂直于纵向轴线。

16、根据优选的实施方式，设置有横向氧化铜纳米片的zno纳米棒具有每μm长度的zno纳米棒10至100个横向cuo纳米片的数量。

17、根据优选的实施方式，设置有横向氧化铜纳米片的zno纳米棒可通过权利要求13-18中任一项所述的方法获得。

18、本发明还涉及一种合成设置有cu基纳米片的zno纳米棒的方法，包括以下连续步骤：(a)制备zno纳米棒；(b)将zno纳米棒与cu前体在溶液中混合；(c)增加所述溶液的ph，以便在所述溶液中形成cu(oh)2纳米线；(d)降低所述溶液的ph，以便在所述zno纳米棒上形成cu2(oh)3cl纳米片。

19、有利地，所述溶液是水基的(基于水的)。

20、根据优选的实施方式，所述方法包括进一步步骤：(e)将设置有cu2(oh)3cl纳米片的zno纳米棒进行退火，以便将cu2(oh)3cl纳米片至少部分地转化成cuo纳米片。

21、根据优选的实施方式，步骤(e)的退火在至少100℃的温度下在至少1小时、优选至少2小时期间实现。

22、根据优选的实施方式，步骤(e)的退火在至少200℃的温度下在至少1小时、优选至少2小时期间实现。

23、根据优选的实施方式，步骤(c)包括添加naoh以将ph增加到至少12。

24、根据优选的实施方式，步骤(d)包括添加hcl以将ph降低到6至8之间的值。

25、有利地，cu前体包括cucl2。

26、本发明的优点

27、本发明特别令人感兴趣的是，它提供了一种金属氧化物材料和相应的气体传感器，所述气体传感器基本上通过增加每单位金属氧化物材料与气体的总接触表面而显示出在不同气体存在下的改善化学电阻式敏感性。

28、本发明的金属氧化物材料的应用范围是宽的，因此不限于气体感测，并且在气体感测的情况下，不限于感测独特或特定类型的气体。化学电阻式气体传感器的工作原理是由于化学氧化还原反应引起的电阻变化，并且是基于欧姆定律v＝r·i。当目标气体与吸附的氧或与化学电阻式传感器表面上的元件相互作用时，发生反应。这导致材料电阻的变化。金属氧化物表面与目标气体反应的能力取决于表面的性质和吸附在表面上的氧物质。氧在表面的吸附改变了由金属氧化物形成的半导体材料的电阻。

技术特征：

1.一种气体传感器(8；108)，其包括：

2.根据权利要求1所述的气体传感器(8；108)，其中所述zno纳米棒(2)具有在1至10μm之间的长度。

3.根据权利要求1和2中的一项所述的气体传感器(8；108)，其中所述zno纳米棒(2)具有在50至600nm之间的直径。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的气体传感器(8；108)，其中所述zno纳米棒(2)沿着纵向轴线延伸，且所述横向氧化铜纳米片(6)在±15°的公差内、优选地在±10°的公差内垂直于所述纵向轴线。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的气体传感器(8；108)，其中设置有横向氧化铜纳米片(4；6)的所述zno纳米棒(2)具有每μm长度的zno纳米棒10至100个之间的所述横向氧化铜纳米片的数量。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的气体传感器(8；108)，其中设置有横向氧化铜纳米片(4；6)的所述zno纳米棒(2)可通过权利要求13至18中任一项所述的方法获得。

7.一种金属氧化物材料，其包括：

8.根据权利要求7所述的金属氧化物材料，其中所述zno纳米棒(2)具有在1至10μm之间的长度。

9.根据权利要求7和8中的一项所述的金属氧化物材料，其中所述zno纳米棒(2)具有在50至600nm之间的直径。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的金属氧化物材料，其中所述横向氧化铜纳米片(6)在±15°的公差内、优选地在±10°的公差内垂直于所述的zno纳米棒的所述纵向轴线。

11.根据权利要求7至10中任一项所述的金属氧化物材料，其中设置有横向氧化铜纳米片(4；6)的所述zno纳米棒(2)具有每μm长度的zno纳米棒10至100个之间的所述横向氧化铜纳米片的数量。

12.根据权利要求7至11中任一项所述的金属氧化物材料，其中设置有横向氧化铜纳米片(4；6)的所述zno纳米棒(2)可通过权利要求13至18中任一项所述的方法获得。

13.一种合成设置有cu基纳米片的zno纳米棒的方法，包括以下连续步骤：

14.根据权利要求13所述的方法，包括以下进一步的步骤：

15.根据权利要求14所述的方法，其中步骤(e)的退火在至少100℃的温度下在至少1小时、优选至少2小时期间实现。

16.根据权利要求14所述的方法，其中步骤(e)的退火在至少200℃的温度下在至少1小时、优选至少2小时期间实现。

17.根据权利要求13至16中任一项所述的方法，其中步骤(c)包括添加naoh以将ph增加到至少12。

18.根据权利要求13至17中任一项所述的方法，其中步骤(d)包括添加hcl以将ph降低到6至8之间的值。

技术总结本发明涉及一种金属氧化物材料，其包括ZnO纳米棒(2)和横向于ZnO纳米棒(2)延伸的氧化铜纳米片(4；6)；一种用于合成所述金属氧化物材料的方法；和一种气体传感器，所述气体传感器包括：基底；沉积在所述基底上的至少两个电极；气体传感层，其包括沉积在所述至少两个电极上和所述至少两个电极之间的所述基底上的ZnO纳米棒，所述气体传感层显示出在与气体接触时变化的电阻率；其中ZnO纳米棒设置有横向CuO纳米片，以便赋予所述气体传感层对气体的敏感性，所述气体是O<subgt;2</subgt;、H<subgt;2</subgt;、CO、乙醇和NO<subgt;2</subgt;中的至少一种。技术研发人员：R·勒图尔克,J-S·托曼,R·布萨里受保护的技术使用者：卢森堡科学技术研究院技术研发日：技术公布日：2025/1/6