一种基于核壳结构NiFe2O4@NiO复合材料的二甲苯气体传感器及其制备方法

本发明属于金属氧化物半导体气体传感器，具体涉及一种基于核壳结构nife2o4@nio复合材料的二甲苯气体传感器及其制备方法。

背景技术：

1、二甲苯是一种重要的化工原料，已被广泛应用于家具、涂料、橡胶、粘合剂和油漆等产品的生产过程中。二甲苯是一种典型的挥发性有机化合物，是主要的室内污染物之一。二甲苯具有一定的毒性，短期大量摄入会刺激眼睛和上呼吸道，导致急性中毒症状，长期摄入会对人体造成不可逆的损伤。因此，为了人们的身体健康，对空气中二甲苯浓度的监测是必要的。

2、氧化物半导体气体传感器因其灵敏度高、制备简单、成本低、易于集成化等优点成为气体传感器领域的研究热点。大量研究发现，中空分等级氧化物半导体敏感材料具有较大的比表面积，丰富的活性位点，有利于气体分子的吸附、扩散与反应，可以有效地提高传感器的性能。近几年，随着金属有机框架材料(mof)的兴起，mof可作为自牺牲模板来制备介孔分等级氧化物半导体材料，为介孔氧化物半导体材料的合成提供了新的合成思路。已有研究发现，根据mof材料的结构特点，可以通过选择性刻蚀技术制备出形貌可控的中空mof材料。另外，阳离子交换方法可以调控mof中的组成成分，进而制备出双金属有机框架材料。中空结构双金属有机框架材料可以作为前驱体制备出分等级结构多孔氧化物半导体复合材料，从而用于制备高性能气体传感器。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于mof衍生核壳结构nife2o4@nio复合材料的二甲苯气体传感器及其制备方法。

2、本发明通过溶剂热法、离子交换法和刻蚀技术制备出fe/ni-mof前驱体，经过烧结得到核壳结构的氧化物半导体材料，敏感材料外壳为nife2o4，内核为nio。核壳结构nife2o4@nio复合材料具有丰富的孔道结构，为气体分子扩散提供传输通道，刻蚀过程和p-p异质结构使材料具有丰富的表面活性位点和化学吸附氧，有利于气体分子的吸附和反应，使得传感器具有优异的气敏性能。基于mof衍生核壳结构nife2o4@nio复合材料的气体传感器对二甲苯气体展现出优异的气敏性能，对10ppm二甲苯气体的响应值可达到51.1，同时具有良好的选择性。

3、本发明所述的一种基于核壳结构nife2o4@nio复合材料的二甲苯气体传感器，为旁热式结构，其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半导体金属氧化物气体敏感材料和置于al2o3陶瓷管内的镍铬加热线圈组成，其特征在于：敏感材料为mof衍生的核壳结构nife2o4@nio复合材料，且由如下步骤制备得到，

4、(1)将1～2mmol ni(no3)2·6h2o、0.1～0.16g 1,3,5-苯三甲酸和0.5～1.3g聚乙烯吡咯烷酮(pvp)溶解在25～35ml n,n-二甲基甲酰胺(dmf)中，室温搅拌均匀后转移到反应釜中，在140～160℃下加热反应4～8小时；待反应结束降至室温后，将得到的产物用乙醇进行离心清洗，产物为ni-mof材料；然后，将ni-mof材料分散在20～40ml乙醇中，搅拌均匀，再将0.2～0.25mmol fe(no3)3·9h2o加入其中，搅拌20～40分钟后转移到反应釜中，在60～100℃下加热反应4～8小时；待反应结束降至室温后，用乙醇对产物进行多次离心清洗，并将产物在70～90℃下干燥10～15小时，得到100～150mg的fe/ni-mof前驱体；

5、(2)将步骤(1)得到的fe/ni-mof前驱体在500～600℃条件下烧结1～3小时，得到20～30mg mof衍生的核壳结构nife2o4@nio复合材料。

6、本发明所述的一种基于核壳结构nife2o4@nio复合材料的二甲苯气体传感器的制备方法，其步骤如下：

7、(1)取2～4g nife2o4@nio复合材料和1～3ml去离子水混合成均匀浆料，用毛刷蘸取少量浆料均匀的涂敷在al2o3陶瓷管和金电极外表面，形成40～50μm厚的敏感材料薄膜；al2o3陶瓷管内径为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；金电极上引出的铂丝导线，其长度为4～6mm；

8、(2)将涂好敏感材料薄膜的al2o3陶瓷管在红外灯下烘烤10～15分钟，待敏感材料干燥后，把al2o3陶瓷管在150～250℃下烧结1.5～3.0小时；然后将电阻值为30～40ω的镍铬加热线圈穿过al2o3陶瓷管内部作为加热丝，最后将上述器件按照旁热式气敏元件进行焊接和封装，制得基于核壳结构nife2o4@nio复合材料的二甲苯气体传感器。

9、本发明的优点如下：

10、(1)通过溶剂热法、刻蚀技术和阳离子交换方法制备出核壳结构nife2o4@nio复合材料，壳层为nife2o4材料，壳层为nio材料，核壳nife2o4@nio复合材料具有丰富的孔道结构。

11、(2)本发明制备的mof衍生核壳结构nife2o4@nio复合材料基气体传感器对二甲苯气体显示出优异的灵敏度(51.1～10ppm)，良好的选择性，可以检测到0.1ppm二甲苯气体，在微环境中二甲苯污染物的监测方面具有广泛的应用前景。

12、(3)本发明中气体传感器工艺简单，价格低廉，适合大批量生产。

技术特征：

1.一种基于核壳结构nife2o4@nio复合材料的二甲苯气体传感器，为旁热式结构，其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金属氧化物半导体气体敏感材料和置于al2o3陶瓷管内的镍铬加热线圈组成，其特征在于：敏感材料为mof衍生核壳结构nife2o4@nio复合材料，且由如下步骤制备得到，

2.如权利要求1所述的一种基于核壳结构nife2o4@nio复合材料的二甲苯气体传感器，其特征在于：al2o3陶瓷管内径为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；金电极上引出的铂丝导线，其长度为4～6mm。

3.权利要求1所述的一种基于核壳结构nife2o4@nio复合材料的二甲苯气体传感器的制备方法，其步骤如下：

技术总结
一种基于核壳结构NiFe<subgt;2</subgt;O<subgt;4</subgt;@NiO复合材料的二甲苯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。传感器由外表面金电极的Al<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;陶瓷管衬底、涂覆在Al<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;陶瓷管衬底外表面和金电极上的MOF衍生核壳结构NiFe<subgt;2</subgt;O<subgt;4</subgt;@NiO复合材料、置于Al<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;陶瓷管内的镍铬加热线圈组成。本发明通过溶剂热法、离子交换法和刻蚀技术相结合制备出Fe/Ni‑MOF前驱体，经过烧结得到具有核壳结构的敏感材料。该复合材料具有丰富的孔隙结构，为气体分子扩散提供传输通道，刻蚀过程和P‑P异质结构使材料具有丰富的表面活性位点和化学吸附氧，有利于气体分子的吸附和反应，使得传感器具有优异的气敏性能。

技术研发人员：孙鹏,于淇,卢革宇,王天双,刘方猛,闫旭,赵留鹏
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27