阅读说明：本技术 一种对no2敏感的具有三维核壳结构的复合气敏材料的制备方法 (For NO2Preparation method of sensitive composite gas-sensitive material with three-dimensional core-shell structure ) 是由 刘丕均 张亚非 邹城 齐燕 余致远 于 2020-06-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种对NO2敏感的具有三维核壳结构的复合气敏材料的制备方法,该方法包括以下步骤：(1)使用水热法制备γ-Fe<Sub>2</Sub>O<Sub>3</Sub>微球；(2)在γ-Fe<Sub>2</Sub>O<Sub>3</Sub>微球基础上利用静电自组装法再制备γ-Fe<Sub>2</Sub>O<Sub>3</Sub>@GO三维核壳结构的纳米复合材料；(3)然后对γ-Fe<Sub>2</Sub>O<Sub>3</Sub>@GO进行原位热还原以制备γ-Fe<Sub>2</Sub>O<Sub>3</Sub>@RGO,用于NO<Sub>2</Sub>气敏性能测试。该方法制备具有三维核壳结构的复合气敏材料对NO<Sub>2</Sub>具有很高的灵敏度以及很低的检测极限。本发明操作简便,反应条件简易,可用于大规模的制备器皿传感器元器件,适用于工业化生产。(The invention discloses a preparation method of a composite gas-sensitive material sensitive to NO2 and having a three-dimensional core-shell structure, which comprises the following steps: (1) preparation of gamma-Fe using hydrothermal method 2 O 3 Microspheres; (2) in the presence of gamma-Fe 2 O 3 Gamma-Fe is prepared by utilizing electrostatic self-assembly method on the basis of microspheres 2 O 3 @ GO nano composite material with three-dimensional core-shell structure; (3) then to gamma-Fe 2 O 3 @ GO undergoes in-situ thermal reduction to produce gamma-Fe 2 O 3 @ RGO for NO 2 And (5) testing gas-sensitive performance. The method is used for preparing the NO of the composite gas-sensitive material with the three-dimensional core-shell structure 2 Has high sensitivity and low detection limit. The invention has simple and convenient operation and simple reaction condition, and can be used for large plantsThe scale preparation ware sensor component is suitable for industrial production.)

一种对NO2敏感的具有三维核壳结构的复合气敏材料的制备 方法

技术领域

本发明涉及在传感器元器件上制备气敏材料的方法，尤其涉及一种对NO2敏感的具有三维核壳结构的复合气敏材料的制备方法。

背景技术

气体传感器是用来检测气体的成分和含量的传感器。一般认为，气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。

传感技术是当今世界发展最为迅速的高新技术之一。自上世纪70年代末以来，由于电子计算机技术和人工智能的高速发展，以及对自然生态环境的保护，世界各国普遍重视了传感器的研究开发工作。近年来，随着科技水平和工业化进程的快速发展，各种有毒有害气体的泄漏、排放超标变得十分普遍。这不仅对人类或动物的健康产生不利影响，同时还会危及周围的生态环境，造成无法修复的破坏。为了保护生态环境和人身安全，气体检测在地震预报、矿井安全、石油勘探、医疗卫生、污染源检测、化工过程控制、冶金等传统工业乃至现在所有的新技术革命带头学科如生物科学、微电子学、新型材料等领域均有着越来越广泛的应用。最值得关注的是，随着工业生产规模逐渐扩大，产品的种类逐渐增多，在生产中使用的气体原料和在生产过程中产生的气体种类和数量也在不断增加，例如丙酮，液化石油气、城市煤气、天然气，二氧化氮（NO₂）等[2-3]。这些气体中有些是易燃易爆的，有些是有毒有害的，一旦泄露到空气中就会严重地污染环境并发生***、火灾及存在使人中毒的潜在危险。为了确保安全，防患于未然，就需要对各种气体进行检测和定量分析。

因此，对气体传感器技术的发展要求日益增长，对气体传感器研究和开发尤为重要。

发明内容

发明目的：提供一种对NO2敏感的具有三维核壳结构的复合气敏材料的制备方法，以解决背景技术中所涉及的问题。

技术方案：一种对NO2敏感的具有三维核壳结构的复合气敏材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤（1）、利用水热法制备γ-Fe₂O₃微球；

步骤（2）、对制备的γ-Fe₂O₃微球进行改性，使γ-Fe₂O₃微球表面带上正电荷；

步骤（3）、将GO与γ-Fe₂O₃微球进行复合，使GO包覆γ-Fe₂O₃微球，以形成γ-Fe₂O₃@GO三维核壳结构；

步骤（4）、利用滴涂法，将γ-Fe₂O₃@GO复合材料均匀地沉积在气体传感器叉指电极基底上；

步骤（5）、对γ-Fe₂O₃@GO进行原位热还原，以获得γ-Fe₂O₃@RGO气体传感器，并对NO₂进行气敏性能测试。

在进一步的实施例中，步骤（1）所述的水热法所使用的温度为200℃，时长为18h。

在进一步的实施例中，步骤（2）所述的改性所使用的化学品为3-氨丙基三乙氧基硅烷。

在进一步的实施例中，步骤（3）所述的复合是利用静电自组装法，将自带负电的GO与改性后带正电的γ-Fe₂O₃微球进行复合。

在进一步的实施例中，步骤（4）所述的滴涂法是利用磁场辅助滴涂法，借助于γ-Fe₂O₃微球的磁性特性，在滴涂时形成均匀传感薄膜。

在进一步的实施例中，步骤（5）所述的原位热还原是将叉指电极一并进行200℃的处理，以增强γ-Fe₂O₃@RGO与叉指电极的连接性。

有益效果：本发明涉及一种对NO2敏感的具有三维核壳结构的复合气敏材料的制备方法，采用静电自组装的方法，将GO和γ-Fe₂O₃微球复合在一起，形成异质结，大幅度提高了单一材料对NO₂的敏感度。将GO和γ-Fe₂O₃微球通过静电自组装法复合在一起，制得的气体传感器对NO₂有很大的灵敏度，并且具有很低的检测极限。测试温度越高，检测极限越低，且灵敏度越高。本发明操作简便，反应条件简易，并且静电自组装方法价格便宜，可用于大规模的制备器皿传感器元器件，适用于工业化生产。

附图说明

图1为本发明实施例1中制备的γ-Fe₂O₃微球和γ-Fe₂O₃@GO三维核壳结构的SEM图像；其中图（a）为γ-Fe₂O₃微球的SEM图像，图b为γ-Fe₂O₃@GO三维核壳结构的SEM图像。

图2为本发明实施例1中沉积γ-Fe₂O₃微球和γ-Fe₂O₃@GO三维核壳结构的热重回归分析图。

图3为本发明实施例1中的气体传感器对不同浓度NO₂的敏感图。

具体实施方式

通常一只理想的气体传感器应具有以下特点：（1）响应速度快，通常要求响应速度小于50s（包括气体吸附和去吸附两个过程），理想情况下应小于10s；（2）灵敏度高，只有高的灵敏度才能对微少量的气体浓度产生敏感；（3）高选择性，只对某种特定的气体敏感，不敏感其他气体；（4）可逆性，可以重复敏感，也就是说不是一次性的敏感而可以长期多次使用；（5）使用寿命长，一般要求半年或一年以上；（6）体积小，方便安装和携带。

两种不同材料之间的物理界面通常称之为异质结，而结合这两种不同成分的材料则具有异质结构。结两边的导电类型由掺杂来控制，掺杂类型相同的称为同型异质结(n-n，p-p)，掺杂类型不同的称为异型异质结(n-p，p-n)。其中同型异质结是一种多数载流子器件，速度比少子器件高，适合做气体传感器。

而静电自组装法具有设备简单、价格便宜、可用于大批量制模等优点，目前在工业生产中已经得到了广泛的应用。

这种传感器在应用过程中测量范围宽，精度高，输入、输出线性度好；功能齐全，使用方便，可作为常用系统的测量及保护；体积小，重量轻，无污染，抗干扰，具有优越的环保特性。

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

实施例1：

利用水热法制备γ-Fe₂O₃微球，所使用的温度为200℃，时长为18h；

对制备的γ-Fe₂O₃微球进行改性，使γ-Fe₂O₃微球表面带上正电荷，所使用的化学品为3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES），在40℃下搅拌2h；

将GO与γ-Fe₂O₃微球进行复合，使GO包覆γ-Fe₂O₃微球，以形成γ-Fe₂O₃@GO三维核壳结构，利用静电自组装法，将自带负电的GO与改性后带正电的γ-Fe₂O₃微球进行复合，在室温下搅拌24h；

利用滴涂法，将γ-Fe₂O₃@GO复合材料均匀地沉积在气体传感器叉指电极基底上，借助于γ-Fe2O3微球的磁性特性，在滴涂时形成均匀传感薄膜；

对γ-Fe₂O₃@GO进行原位热还原，以获得γ-Fe₂O₃@RGO气体传感器，并对NO₂进行气敏性能测试，原位热还原是将叉指电极一并进行200℃的处理，时常2h,以还原GO并同时增强γ-Fe₂O₃@RGO与叉指电极的连接性。

（6）将步骤（5）所得的器件进行NO₂测试，室温下检测极限为0.1ppm；当检测浓度为50ppm时，灵敏度为3.3。

实施例2：

利用水热法制备γ-Fe₂O₃微球，所使用的温度为180℃，时长为12h。；

对制备的γ-Fe₂O₃微球进行改性，使γ-Fe₂O₃微球表面带上正电荷，所使用的化学品为3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES），在60℃下搅拌5h；

将GO与γ-Fe₂O₃微球进行复合，使GO包覆γ-Fe₂O₃微球，以形成γ-Fe₂O₃@GO三维核壳结构，利用静电自组装法，将自带负电的GO与改性后带正电的γ-Fe₂O₃微球进行复合，在室温下搅拌12h；

利用滴涂法，将γ-Fe₂O₃@GO复合材料均匀地沉积在气体传感器叉指电极基底上，借助于γ-Fe2O3微球的磁性特性，在滴涂时形成均匀传感薄膜；

对γ-Fe₂O₃@GO进行原位热还原，以获得γ-Fe₂O₃@RGO气体传感器，并对NO₂进行气敏性能测试，原位热还原是将叉指电极一并进行300℃的处理，时常5h,以还原GO并同时增强γ-Fe₂O₃@RGO与叉指电极的连接性。

（6）将步骤（5）所得的器件进行NO₂测试，室温下检测极限为0.1ppm；当检测浓度为50ppm时，灵敏度为3.3。

实施例3：

利用水热法制备γ-Fe₂O₃微球，所使用的温度为150℃，时长为24h。；

对制备的γ-Fe₂O₃微球进行改性，使γ-Fe₂O₃微球表面带上正电荷，所使用的化学品为3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES），在80℃下搅拌12h；

将GO与γ-Fe₂O₃微球进行复合，使GO包覆γ-Fe₂O₃微球，以形成γ-Fe₂O₃@GO三维核壳结构，利用静电自组装法，将自带负电的GO与改性后带正电的γ-Fe₂O₃微球进行复合，在室温下搅拌6h；

利用滴涂法，将γ-Fe₂O₃@GO复合材料均匀地沉积在气体传感器叉指电极基底上，借助于γ-Fe2O3微球的磁性特性，在滴涂时形成均匀传感薄膜；

对γ-Fe₂O₃@GO进行原位热还原，以获得γ-Fe₂O₃@RGO气体传感器，并对NO₂进行气敏性能测试，原位热还原是将叉指电极一并进行150℃的处理，时常20h,以还原GO并同时增强γ-Fe₂O₃@RGO与叉指电极的连接性。

（6）将步骤（5）所得的器件进行NO₂测试，室温下检测极限为0.1ppm；当检测浓度为50ppm时，灵敏度为3.3。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。