一种丙酮气敏材料及其制备方法和在丙酮气体传感器中的应用

本发明涉及一种基于ybfeo3-bifeo3复合敏感材料及其制备方法和在丙酮气体传感器中的应用，属于半导体金属氧化物气体传感器。

背景技术：

1、随着医学的发展，呼吸生物标志物检测成为一种颇具前途的非侵入式疾病诊断技术。作为糖尿病的呼吸生物标志物，丙酮检测为糖尿病早期诊断提供了一种简单、有效并且无创的方法。健康人群的呼气中丙酮浓度低于0.9ppm，而糖尿病患者中丙酮浓度则高于1.8ppm。因此，开发高灵敏度、低检测限的丙酮气体传感器对于预防和诊断糖尿病至关重要。

2、目前，研究者相继开发了基于二元金属氧化物sno2、wo3、zno、fe2o3、co3o4、cuo、nio等的丙酮气体传感器，但是它们仍然面临灵敏度低、检测限高和特别是工作温度高的挑战，这阻碍了其在糖尿病诊断方面的应用。虽然钙钛矿型三元氧化物abo3(例如bifeo3)因其高度可调的结构和化学组成、掺杂后的非化学计量稳定性等特点在气敏材料中展现出独特的优势。但现有的钙钛矿型三元氧化物(例如bifeo3)的丙酮气体传感性能较低，在检测低浓度丙酮气体的应用中仍然面临挑战。

技术实现思路

1、为此，本发明提供了一种丙酮气敏材料及其制备方法和基于ybfeo3-bifeo3复合敏感材料丙酮气体传感器的应用。

2、一方面，本发明提供了一种丙酮气敏材料，其特征在于，所述丙酮气敏材料的组成为ybfeo3-bifeo3复合材料，且ybfeo3和bifeo3之间形成p-p异质结。

3、本发明中，利用两种气敏材料复合形成异质结构，利用二者的协同效应可以进一步改善气敏性能，从而获得高性能丙酮气体传感器。

4、具体工作原理为：当ybfeo3-bifeo3传感器暴露于空气中时，氧分子吸附在表面，通过捕获复合材料的电子转化为吸附氧离子(o2-、o-、o2-)。因此，表面的空穴浓度增加，导致电阻降低。当传感器暴露于丙酮气体中时，丙酮分子与氧离子发生氧化还原反应，电子被释放回复合材料中，此时电子与空穴复合，使得空穴浓度降低，导致电阻增加。通过测量传感器与丙酮气体接触前后的电阻变化，从而达到检测丙酮的目的。丙酮传感器的响应度定义为传感器在丙酮中的电阻rg和空气中电阻ra的比值。

5、与bifeo3相比，ybfeo3-bifeo3复合材料由于p-p异质结的形成和fe2+/fe3+氧化还原对的增加提升了对丙酮气体的响应强度。一方面，由于ybfeo3的带隙(1.7ev)小于bifeo3的带隙，电子会从bifeo3转移到ybfeo3，而空穴从ybfeo3转移到bifeo3，异质结处的能带弯曲，直到费米能级达到平衡。异质结的形成可以促进界面电子转移和界面反应，并增强表面氧的吸附，从而提高气敏性能。另一方面，基于该方法制备的ybfeo3-bifeo3复合材料具有较多的fe2+/fe3+氧化还原对。在氧吸附过程中，fe2+被氧化为fe3+，释放出电子提供给吸附氧，这促进了氧离子的大量吸附。与丙酮反应后，电子被释放到复合材料中，促使fe3+被还原为fe2+。因此，fe2+/fe3+浓度提高也促进了ybfeo3-bifeo3复合材料对丙酮的响应。

6、较佳的，所述ybfeo3-bifeo3复合材料中ybfeo3的含量为1～25wt.％，优选为5～20wt.％，更优选为6～16wt.％，最优选为10～14wt.％。

7、较佳的，所述ybfeo3-bifeo3复合材料的粒径为0.2～5μm，优选为0.2～1μm。

8、第二方面，本发明提供了一种丙酮气敏材料的制备方法，包括：

9、1)取yb2o3粉体和bifeo3粉体混合，在650～750℃焙烧3～5h，得到焙烧粉体；

10、2)将所得焙烧粉体置于硝酸溶液中搅拌处理，再经洗涤和干燥，得到所述ybfeo3-bifeo3复合材料。

11、较佳的，所述yb2o3粉体的质量为bifeo3粉体质量的1～15wt.％；

12、所述硝酸溶液的浓度为1～3mol/l；

13、所述搅拌处理的转速为600～800转/分钟，时间为0.5～2h。

14、第三方面，本发明提供了一种基于ybfeo3-bifeo3复合材料的丙酮气体传感器，其特征在于，包括：上述丙酮气敏材料制备的ybfeo3-bifeo3敏感膜。

15、较佳的，基于ybfeo3-bifeo3复合材料的丙酮气体传感器，包括：衬底、形成在衬底一侧表面的叉指电极和ybfeo3-bifeo3敏感膜，以及形成在衬底另一侧表面的加热电极。

16、较佳的，所述ybfeo3-bifeo3敏感膜的厚度为40～80μm。

17、较佳的，所述叉指电极的组成为au、cr或ag-pd。较佳的，所述加热电极的组成为pt、cu或ni-cr。较佳的，所述衬底的组成为al2o3或si。

18、较佳的，在对丙酮气体的检测中，基于ybfeo3-bifeo3复合材料的丙酮气体传感器的最佳工作温度≤200℃，且在最佳工作温度下对10ppm丙酮的响应高达32.6。

19、再一方面，本发明提供了一种基于ybfeo3-bifeo3复合材料的丙酮气体传感器的制备方法，所述ybfeo3-bifeo3敏感膜的制备方法包括：

20、(1)将ybfeo3-bifeo3复合材料分散在有机溶剂中，得到浆料；

21、(2)将所得浆料涂覆在叉指电极表面，再经干燥和老化处理，得到ybfeo3-bifeo3敏感膜。

22、较佳的，所述ybfeo3-bifeo3复合材料和有机溶剂的比为(10～20)mg：(15～30)μl；优选地，所述有机溶剂为松油醇、乙醇、丙酮和甘油中的至少一种。

23、较佳的，所述涂覆的方式为丝网印刷法；

24、所述干燥的温度为200～300℃，时间为4～12h；

25、所述老化处理的温度为200～300℃，时间为24～48h。

26、有益效果：

27、1、本发明利用简单的固相烧结并结合酸刻蚀成功制备出ybfeo3-bifeo3复合材料，制备方法简单、成本低廉；

28、2、本发明通过少量ybfeo3与bifeo3复合，显著降低了bifeo3基传感器的检测下限(理论计算为25ppb)，提高了灵敏度(s＝7@400ppb；s＝32.6@10ppm图5所示)，并大幅降低了工作温度(≤200℃)；此外，传感器具有良好的稳定性和选择性。

技术特征：

1.一种丙酮气敏材料，其特征在于，所述丙酮气敏材料的组成为ybfeo3-bifeo3复合材料，且ybfeo3和bifeo3之间形成p-p异质结。

2.根据权利要求1所述的丙酮气敏材料，其特征在于，所述ybfeo3-bifeo3复合材料中ybfeo3的含量为1～25wt.％，优选为5～20wt％，更优选为6～16wt.％，最优选为10～14wt.％。

3.根据权利要求1或2所述的丙酮气敏材料，其特征在于，所述ybfeo3-bifeo3复合材料的粒径为0.2～5μm，优选为0.2～1μm。

4.一种如权利要求1-3中任一项所述的丙酮气敏材料的制备方法，其特征在于，包括：

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述yb2o3粉体的质量为bifeo3粉体质量的1～15wt.％；

6.一种基于ybfeo3-bifeo3复合材料的丙酮气体传感器，其特征在于，包括：权利要求1-3中任一项所述的丙酮气敏材料制备的ybfeo3-bifeo3敏感膜。

7.根据权利要求6所述的基于ybfeo3-bifeo3复合材料的丙酮气体传感器，其特征在于，包括：衬底、形成在衬底一侧表面的叉指电极和ybfeo3-bifeo3敏感膜，以及形成在衬底另一侧表面的加热电极。

8.根据权利要求7所述的基于ybfeo3-bifeo3复合材料的丙酮气体传感器，其特征在于，所述ybfeo3-bifeo3敏感膜的厚度为40～80μm。

9.根据权利要求7或8所述的基于ybfeo3-bifeo3复合材料的丙酮气体传感器，其特征在于，所述叉指电极的组成为au、cr或ag-pd；所述加热电极的组成pt、cu或ni-cr；所述衬底的组成为a2o3或si。

10.根据权利要求7-9中任一项所述的基于ybfeo3-bifeo3复合材料的丙酮气体传感器，其特征在于，在对丙酮气体的检测中，基于ybfeo3-bifeo3复合材料的丙酮气体传感器的最佳工作温度≤200℃，且在最佳工作温度下对10ppm丙酮的响应高达32.6。

11.一种如权利要求7-10中任一项所述的基于ybfeo3-bifeo3复合材料的丙酮气体传感器的制备方法，其特征在于，所述ybfeo3-bifeo3敏感膜的制备方法包括：

12.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，所述ybfeo3-bifeo3复合材料和有机溶剂的比为(10～20)mg：(15～30)μl；优选地，所述有机溶剂为松油醇、乙醇、丙酮和甘油中的至少一种。

13.根据权利要求11或12所述的制备方法，其特征在于，所述涂覆的方式为丝网印刷法；所述干燥的温度为200～300℃，时间为4～12h；

技术总结
本发明涉及一种丙酮气敏材料及其制备方法和在丙酮气体传感器中的应用。所述丙酮气敏材料的组成为YbFeO<subgt;3</subgt;‑BiFeO<subgt;3</subgt;复合材料，且YbFeO<subgt;3</subgt;和BiFeO<subgt;3</subgt;之间形成p‑p异质结。

技术研发人员：马楠,陈欣怡
受保护的技术使用者：中国科学院上海硅酸盐研究所
技术研发日：
技术公布日：2025/1/6