摻銀三氧化二鐵納米材料的甲醛氣體傳感器及其制備方法與流程

本發明涉及氣體傳感器技術領域，特別涉及一種摻銀三氧化二鐵納米材料的甲醛氣體傳感器及其制備方法。

背景技術：

隨著人們生活水平的提高，人們對室內環境污染問題越來越重視。造成室內環境污染的有毒物質主要有甲醛、苯、氨、氡、一氧化碳等物質，這些有毒物質給我們的環境和身體健康帶來了嚴重的威脅。特別是甲醛氣體，它廣泛存在于人們日常接觸的生活物品以及室內家居的裝修板材中，如膠合板、纖維板、刨花板、膠水和粘合劑等。隨著人們環境保護意識的加強，室內甲醛的快速檢測使得開發高性能氣體傳感器成為一種必要。

氣體傳感器指能夠感知環境中某種氣體及其含量的一種裝置或者器件，它能將與氣體種類和含量有關的信息轉換成電信號（電流或者電壓）輸出。

用于氣體傳感器的材料有很多，目前主要應用電阻型金屬氧化物半導體敏感材料。不同的氧化物半導體材料對氣敏性能有很大的影響，除此之外，不同形貌的金屬氧化物半導體敏感材料對氣敏性能也有很大的影響，因此往往通過合成不同形貌的敏感材料來改善氣敏性能。在合成不同形貌敏感材料的過程中，對材料燒結溫度設置進行細化，對甲醛氣體的靈敏度以及響應恢復時間的微觀形貌都會有提高。

半導體氣體傳感器在空氣中長期暴露，空氣的溫度、濕度以及其他外界雜質等都可能降低元件的穩定性，因此，傳感器都需要老化后才能使其穩定。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種摻銀三氧化二鐵納米材料的甲醛氣體傳感器及其制備方法，解決了現有技術存在的上述問題。納米fe2o3屬于半導體材料，其電學性質對溫度、濕度和一些還原性氣體等較為敏感。在一定溫度下，ag離子可以阻止fe2o3納米晶粒的生長，摻入ag后得到的fe2o3/ag納米材料比純的fe2o3納米材料具有更大的比表面積，氣體能夠和敏感材料表面有更大的接觸，提高對氣體的響應恢復時間。ag可以降低氣敏元件的電阻，從而提高靈敏度。同時本發明采用的工藝簡單、制得的器件體積小、靈敏度高，因而具有重要的應用價值。

本發明的上述目的通過以下技術方案實現：

摻銀三氧化二鐵納米材料的甲醛氣體傳感器，由外罩套環、底座、陶瓷管、au電極、pt導線、ni-cd加熱絲和摻雜ag的fe2o3納米材料組成，所述陶瓷管為中空狀，陶瓷管兩端的au電極分別連接兩根pt導線，每個au電極上的兩根pt導線之間短路；ni-cd加熱絲穿過陶瓷管，電阻為30ω。

所述的摻雜ag的fe2o3納米材料的粒徑為300～500nm，比表面積為0.06～10.26，形狀大致為方形或方片形，晶粒均勻，排列疏松。

本發明的另一目的在于提供一種摻銀三氧化二鐵納米材料的甲醛氣體傳感器的制備方法，其步驟如下：

（1）、摻銀三氧化二鐵納米材料的制備

采用水熱法制備摻銀三氧化二鐵納米材料：室溫條件下，首先將無水乙醇倒入硝酸鐵中，搖勻至全部溶解；將硝酸銀、去離子水、無水乙醇溶液混合；又稱取氫氧化鈉于另一燒杯中并用去離子水使其溶解；把所得氫氧化鈉溶液滴入到前面所得溶液中，磁力攪拌20～30分鐘后得到深紅褐色沉淀；溶劑中無水乙醇和去離子水的體積比為2.5:1，硝酸鐵、硝酸銀和氫氧化鈉的摩爾比為20～25:1:10～15，硝酸鐵與無水乙醇的用量比例為10～20g/l；將盛有深紅褐色沉淀的燒杯放于含有去離子水的超聲波清洗器，超聲清洗30分鐘，把所得沉淀轉移至反應釜中，再將反應釜放入電熱恒溫干燥箱中，恒溫加熱24小時后，將反應釜降至室溫，取出反應產物；再用去離子水和無水乙醇洗滌，離心機離心；最后濾掉上層清液，經恒溫干燥箱干燥，將所得產物放于馬弗爐中，在200～800℃下燒結1～3個小時，得到摻雜ag的fe2o3納米晶粉體；

（2）、氣敏器件的制備

將干燥后的摻銀三氧化二鐵納米晶粉體放入瑪瑙研缽中，研磨2～3小時后，然后向研缽中滴入去離子水，調制成糊狀；使用細絲穿過陶瓷管芯將陶瓷管架起，用涂料筆將敏感材料涂覆至陶瓷管芯的外表面，涂覆均勻，完全蓋住au電極，涂覆完畢后自然陰干或放入烘箱內烘干；將陶瓷管芯焊接于傳感器底座上，安裝加熱絲和外罩套環；最后將傳感器在100～140ma電流下老化0～30天以使傳感器穩定；從而得到以摻銀三氧化二鐵為敏感材料的氣體傳感器；

（3）、摻雜碳納米管的摻銀三氧化二鐵納米材料的制備以及氣敏器件的制備

將干燥后的摻銀三氧化二鐵納米晶粉體放入瑪瑙研缽中，研磨2～3小時后，加入碳納米管，然后向研缽中滴入去離子水，攪拌均勻至糊狀；硝酸鐵與碳納米管質量比為10～20:1；使用細絲穿過陶瓷管芯將陶瓷管架起，用涂料筆將敏感材料涂覆至陶瓷管芯的外表面，涂覆均勻，完全蓋住au電極，涂覆完畢后，放入馬弗爐中，在200～800℃煅燒1～3小時；將陶瓷管芯焊接于傳感器底座上，安裝加熱絲和外罩套環；最后將傳感器在100～140ma電流下老化0～30天以使傳感器穩定；從而得到以摻雜碳納米管的摻銀三氧化二鐵為敏感材料的氣體傳感器。

步驟（1）中，干燥箱內溫度從20℃勻速升溫至160℃，速度為4℃/分鐘，在160℃下恒溫加熱12～36小時。

本發明的有益效果在于：本發明制備的以摻銀三氧化二鐵為敏感材料的氣體傳感器具有制備方法簡單、成本低廉、響應恢復速度快的特點，對甲醛氣體具有良好的檢測性能。傳感器的敏感材料為摻雜ag的fe2o3納米材料，粒徑為300～500nm。采用摻銀三氧化二鐵作為敏感材料，不但應用了其較高比表面積，還有效的利用ag的低電阻率提高靈敏度。摻雜碳納米管的摻銀三氧化二鐵納米材料經過燒結后會形成多孔結構，增大了比表面積，有效的提高了響應時間。本發明采用的工藝簡單、制得的器件體積小、靈敏度高，因而具有重要的應用價值。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分，本發明的示意性實例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。

圖1為摻雜6%ag時fe2o3納米材料sem形貌圖，放大倍數為100000倍；

圖2為本發明制備的摻銀三氧化二鐵納米材料的xrd圖；

圖3為本發明制備的摻銀三氧化二鐵納米材料的eds圖；

圖4為本發明制備的摻銀三氧化二鐵納米材料的eds分層圖像；

圖5為eds分層圖像中fe、o、ag、c元素圖像顯示；

圖6為本發明制備的純fe2o3在600℃下燒結2小時的bet測試結果圖；

圖7為本發明制備的摻雜ag的量為6%的fe2o3材料在600℃下燒結2小時的bet測試結果圖；

圖8為本發明的純fe2o3在工作溫度為180℃下，器件的靈敏度-甲醛濃度特性曲線；

圖9為本發明的摻雜ag的量為6%的fe2o3材料在工作溫度為180℃下，器件的靈敏度-甲醛濃度特性曲線；

圖10為本發明的摻雜ag的量為6%時，器件的響應恢復曲線；

圖11為本發明的摻雜5%碳納米管時，器件的響應恢復曲線。

具體實施方式

下面結合附圖進一步說明本發明的詳細內容及其具體實施方式。

參見圖1至圖11所示，本發明的摻銀三氧化二鐵納米材料的甲醛氣體傳感器，由外罩套環、底座、au電極、pt導線、ni-cd加熱絲和摻雜ag的fe2o3納米材料組成，所述由外罩套環、底座、陶瓷管、au電極、pt導線、ni-cd加熱絲和摻雜ag的fe2o3納米材料組成，所述陶瓷管為中空狀，陶瓷管兩端的au電極分別連接兩根pt導線，每個au電極上的兩根pt導線之間短路；ni-cd加熱絲穿過陶瓷管，電阻為30ω。

所述的摻雜ag的fe2o3納米材料的粒徑為300～500nm，比表面積為0.06～10.26，形狀大致為方形或方片形，晶粒均勻，排列疏松。傳感器的敏感材料為摻雜ag的fe2o3納米材料，粒徑為300～500nm。采用fe2o3/ag作為敏感材料，不但應用了其較高比表面積，還有效的利用ag的低電阻率提高靈敏度。摻雜碳納米管的fe2o3/ag納米材料經過燒結后會形成多孔結構，增大了比表面積，有效的提高了響應時間。本發明采用的工藝簡單、制得的器件體積小、靈敏度高，因而具有重要的應用價值。

本發明的摻銀三氧化二鐵納米材料的甲醛氣體傳感器的制備方法，其步驟如下：

（1）、fe2o3/ag納米材料的制備

采用水熱法制備fe2o3/ag納米材料：室溫條件下，首先將無水乙醇倒入硝酸鐵中，搖勻至全部溶解；將硝酸銀、去離子水、無水乙醇溶液混合；又稱取氫氧化鈉于另一燒杯中并用去離子水使其溶解；把所得氫氧化鈉溶液滴入到前面所得溶液中，磁力攪拌20～30分鐘后得到深紅褐色沉淀；溶劑中無水乙醇和去離子水的體積比為2.5:1，硝酸鐵、硝酸銀和氫氧化鈉的摩爾比為20～25:1:10～15，硝酸鐵與無水乙醇的用量比例為10～20g/l；將盛有深紅褐色沉淀的燒杯放于含有去離子水的超聲波清洗器，超聲清洗30分鐘，把所得沉淀轉移至反應釜中，再將反應釜放入電熱恒溫干燥箱中，恒溫加熱24小時后，將反應釜降至室溫，取出反應產物；再用去離子水和無水乙醇洗滌，離心機離心；最后濾掉上層清液，經恒溫干燥箱干燥，將所得產物放于馬弗爐中，在200～800℃下燒結1～3個小時，得到摻雜ag的fe2o3納米晶粉體；

（2）、氣敏器件的制備

將干燥后的fe2o3/ag納米晶粉體放入瑪瑙研缽中，研磨2～3小時后，然后向研缽中滴入去離子水，調制成糊狀；使用細絲穿過陶瓷管芯將陶瓷管架起，用涂料筆將敏感材料涂覆至陶瓷管芯的外表面，涂覆均勻，完全蓋住au電極，涂覆完畢后自然陰干或放入烘箱內烘干；將陶瓷管芯焊接于傳感器底座上，安裝加熱絲和外罩套環；最后將傳感器在100～140ma電流下老化0～30天以使傳感器穩定；從而得到以fe2o3/ag為敏感材料的氣體傳感器；

（3）、摻雜碳納米管的fe2o3/ag納米材料的制備以及氣敏器件的制備

將干燥后的fe2o3/ag納米晶粉體放入瑪瑙研缽中，研磨2～3小時后，加入碳納米管，然后向研缽中滴入去離子水，攪拌均勻至糊狀；硝酸鐵與碳納米管質量比為10～20:1；使用細絲穿過陶瓷管芯將陶瓷管架起，用涂料筆將敏感材料涂覆至陶瓷管芯的外表面，涂覆均勻，完全蓋住au電極，涂覆完畢后，放入馬弗爐中，在200～800℃煅燒1～3小時；將陶瓷管芯焊接于傳感器底座上，安裝加熱絲和外罩套環；最后將傳感器在100～140ma電流下老化0～30天以使傳感器穩定；從而得到以摻雜碳納米管的fe2o3/ag為敏感材料的氣體傳感器。

步驟（1）中，干燥箱內溫度從20℃勻速升溫至160℃，速度為4℃/分鐘，在160℃下恒溫加熱12～36小時。

如圖1所示，fe2o3/ag粉體顆粒均勻，排列疏松，粒徑尺寸為300～500nm。

如圖2所示，xrd譜圖峰位和赤鐵礦型峰位幾乎一致，但不完全一致，說明有其他元素摻入。

如圖3至圖5所示，本發明制備的fe2o3/ag納米材料的eds圖。圖3為本發明制備的fe2o3/ag納米材料的eds圖；圖4為fe2o3/ag納米材料的eds分層圖像；圖5為eds分層圖像中fe、o、ag、c元素圖像顯示；從中可以證明制備的材料中含有ag元素（原料帶入的c元素）。

如圖6及圖7所示，本發明制備的fe2o3/ag納米材料的bet測試結果圖。圖6為純fe2o3在600℃下燒結2小時的bet測試結果圖；圖7為摻雜ag的量為6%的fe2o3材料在600℃下燒結2小時的bet測試結果圖；從圖中可看出摻雜ag離子后fe2o3材料的比表面積比純的fe2o3材料比表面積明顯增加。

如圖8及圖9所示，本發明的器件在工作溫度為180℃下，器件的靈敏度-甲醛濃度特性曲線。圖8為純fe2o3在工作溫度為180℃下，器件的靈敏度-甲醛濃度特性曲線；圖9為摻雜ag的量為6%的fe2o3材料在工作溫度為180℃下，器件的靈敏度-甲醛濃度特性曲線；當器件在工作溫度為180℃下，器件的靈敏度隨甲醛濃度增大而增大；摻雜ag后的fe2o3材料對甲醛的靈敏度要高于純fe2o3對甲醛的靈敏度。

如圖10及圖11所示，圖10為摻雜ag的量為6%時，器件的響應恢復曲線；當器件在工作溫度為180℃、甲醛濃度為100ppm下，器件的響應時間是5分鐘，恢復時間為3分鐘；圖11為摻雜5%碳納米管時，器件的響應恢復曲線；當器件在工作溫度為180℃、甲醛濃度為100ppm下，器件的響應時間是3分鐘，恢復時間為4分鐘。表現出了優良的響應恢復特性，對甲醛有良好的檢測。

實施例

1、fe2o3/ag納米材料的制備以及氣敏器件的制備

采用水熱法制備fe2o3/ag納米材料：室溫條件下，首先將20ml無水乙醇倒入2.42g硝酸鐵中，搖勻至藥品全部溶解。稱取0.102g硝酸銀溶于去離子水和無水乙醇溶液中，用滴液漏斗逐滴滴加到燒杯中。又稱取1.7g氫氧化鈉于另一燒杯中并用25ml去離子水使其溶解。把所得氫氧化鈉溶液滴入到前面所得溶液中，磁力攪拌30分鐘后得到深紅褐色沉淀。硝酸鐵、硝酸銀和氫氧化鈉的摩爾比為24:1:12。將盛有深紅褐色沉淀的燒杯放于含有去離子水的超聲波清洗器，超聲清洗30分鐘，把所得沉淀轉移至反應釜中，再將反應釜放入電熱恒溫干燥箱中，在160℃下恒溫加熱24小時后，將反應釜降至室溫后取出反應產物。再用去離子水和無水乙醇洗滌，離心機離心，重復洗滌、離心多次。最后濾掉上層清液，再經恒溫干燥箱干燥，將所得產物放于馬弗爐中，在600℃下燒結2個小時，得到摻雜ag的fe2o3納米晶粉體。

將干燥后的fe2o3/ag納米晶粉體放入瑪瑙研缽中，研磨3小時后，然后向研缽中滴入去離子水，研磨30分鐘，調制成糊狀；使用細絲穿過陶瓷管芯將陶瓷管架起，用涂料筆將敏感材料涂覆至陶瓷管芯的外表面，涂覆均勻，完全蓋住au電極，涂覆完畢后自然陰干或放入烘箱內烘干；將陶瓷管芯焊接于傳感器底座上，安裝加熱絲和外罩套環。最后將傳感器在120ma電流下老化30天以使傳感器穩定。從而得到本發明所述的一種以fe2o3/ag為敏感材料的氣體傳感器。

2、摻雜碳納米管的fe2o3/ag納米材料的制備以及氣敏器件的制備

將干燥后的fe2o3/ag納米晶粉體放入瑪瑙研缽中，研磨3小時后，加入碳納米管，然后向研缽中滴入去離子水，攪拌均勻至糊狀。硝酸鐵與碳納米管質量比為20:1。使用細絲穿過陶瓷管芯將陶瓷管架起，用涂料筆將敏感材料涂覆至陶瓷管芯的外表面，涂覆均勻，完全蓋住au電極，涂覆完畢后，將陶瓷管放入馬弗爐中，在600℃煅燒2小時。將陶瓷管芯焊接于傳感器底座上，安裝加熱絲和外罩套環。最后將傳感器在120ma電流下老化30天以使傳感器穩定。從而得到本發明所述的一種以摻雜碳納米管的fe2o3/ag為敏感材料的氣體傳感器。

上述實施例中制備的fe2o3/ag為敏感材料的氣體傳感器的氣敏性能是在北京艾立特科技有限公司的cgs-8型氣敏性能測試儀測試的。

fe2o3/ag納米材料氣敏性能指標如下：

靈敏度：3.9（100ppm甲醛）；

甲醛氣體測試范圍：1～500ppm；

響應時間為5分鐘，恢復時間為3分鐘。

摻雜碳納米管的fe2o3/ag納米材料氣敏性能指標如下：

靈敏度：6.1（100ppm甲醛）；

甲醛氣體測試范圍：1～500ppm；

響應時間為3分鐘，恢復時間為4分鐘。

以上所述僅為本發明的優選實例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡對本發明所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。