一种掺杂的ZnO材料及其制备方法与丙酮传感器技术

本发明专利技术公开一种掺杂的ZnO材料及其制备方法与丙酮传感器，其中，方法包括步骤：将锌源与水混合，搅拌直至锌源溶解，之后加入碱源和无水乙醇，搅拌直至得到澄清溶液；向澄清溶液中加入可溶性金源或者可溶性钯源，将得到的溶液转移至微波反应仪中进行反应；反应结束后依次进行冷却、洗涤、干燥及退火，得到Au或Pd掺杂的ZnO材料。本发明专利技术采用一步微波水热法直接将Au或者Pd掺杂到ZnO材料中，制备操作容易，过程简单。与普通物理掺杂相比，采用本发明专利技术方法掺杂剂分散的更均匀，合成出的复合材料中各组分可以实现在分子层面上接触。本发明专利技术中的基于Au或Pd掺杂的ZnO材料的丙酮传感器对低浓度的丙酮展现出较好的气敏特性。

A doped ZnO material and its preparation method and acetone sensor

【技术实现步骤摘要】
一种掺杂的ZnO材料及其制备方法与丙酮传感器
本专利技术涉及气体传感器领域，尤其涉及一种掺杂的ZnO材料及其制备方法与丙酮传感器。
技术介绍
目前血糖检测和监测的主要方法是有创伤的，即通过针刺指尖或静脉抽血。有的患者甚至一天需要扎七次手指来获得血数据，这给患者带来了痛苦和不便。与此同时常年使用测试试纸更使患者家庭承受巨大的经济压力。最近研究显示呼气中的丙酮可以作为监测糖尿病的重要标志物。但目前呼气中丙酮的检测手段多为大型仪器如色谱、质谱、光谱仪等，需要专业人员操作，而且价格昂贵，给检测带来了许多不便。目前，用于检测丙酮的ZnO传感器已经被研究报道出来，但这些传感器存在工作温度高、选择性差、检测浓度高、抗湿性差、响应-恢复速度慢等缺点，不适合作为呼气标志物传感器。一些研究学者已经证明贵金属Au、Pd的掺杂能够有效提高ZnO丙酮气敏性能，但实现对超低浓度(几个-几十ppb)丙酮、低温、高选择、可抗湿、快速检测的研究仍是挑战。因此，现有技术还有待于改进和发展。
技术实现思路
鉴于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种掺杂的ZnO材料及其制备方法与丙酮传感器，旨在解决现有传感器存在工作温度高、选择性差、检测浓度高、抗湿性差、响应-恢复速度慢等的问题。本专利技术的技术方案如下：一种掺杂的ZnO材料的制备方法，其中，包括步骤：将锌源与水混合，搅拌直至锌源溶解，之后加入碱源和无水乙醇，搅拌直至得到澄清溶液；向澄清溶液中加入可溶性金源或者可溶性钯源，将得到的溶液转移至微波反应仪中进行反应；反应结束后依次进行冷却、洗涤、干燥及退火，得到Au或Pd掺杂的ZnO材料。进一步地，所述反应的温度为140～180℃；和/或反应的时间为30～60min。进一步地，所述退火的温度为400～550℃；和/或退火的时间为2～5h。进一步地，锌源、碱源与可溶性金源的摩尔比为1:22～44:0～0.077；或者锌源、碱源与可溶性钯源的摩尔比为1:22～44:0～0.088。进一步地，所述锌源选自醋酸锌、氯化锌和硝酸锌中的一种或多种；和/或所述碱源选自氢氧化钾和氢氧化钠中的一种。进一步地，所述可溶性金源为氯金酸、硝酸金、氯化金、乙酸金中的一种或多种。进一步地，所述可溶性钯源为硝酸钯、氯化钯、硫酸钯中的一种或多种。一种掺杂的ZnO材料，其中，采用本专利技术所述的掺杂的ZnO材料的制备方法制备而成。进一步地，以所述掺杂的ZnO材料为基准，所述Au占所述掺杂的ZnO材料的质量百分比0％～6％；或者所述Pd占所述掺杂的ZnO材料的质量百分比0％～7％。一种丙酮传感器，包括陶瓷管，其中，所述陶瓷管表面涂覆有本专利技术所述方法制备得到的掺杂的ZnO材料；和/或所述陶瓷管表面涂覆有本专利技术所述的掺杂的ZnO材料。有益效果：本专利技术采用一步微波水热法直接将Au或者Pd掺杂到ZnO材料中，制备操作容易，过程简单。与普通物理掺杂相比，采用本专利技术方法掺杂剂分散的更均匀，合成出的复合材料中各组分可以实现在分子层面上接触。本专利技术中的基于Au或Pd掺杂的ZnO材料的丙酮传感器对低浓度的丙酮展现出较好的气敏特性，其具有低的工作温度、高的灵敏度、广泛的检测范围(5ppb-100ppm)、优异的选择性、快速的响应速度。附图说明图1：a)为实施例所提供的Au/ZnO及Pd/ZnO和未掺杂ZnO材料的X射线衍射图谱，(b-e)分别为未掺杂ZnO的扫描电镜图、透射电镜图、高分辨透射电镜图及选区电子衍射图，f)为Pd/ZnO透射电镜图，(g-i)分别为Au/ZnO的透射电镜图、高分辨透射电镜图及选区电子衍射图，(j-k)分别为Au/ZnO及Pd/ZnO的X射线光电子能谱。图2：a)为实施例所提供的Au/ZnO及Pd/ZnO和未掺杂ZnO材料在不同工作温度下对100ppm丙酮气体的灵敏度曲线，b)为Au/ZnO及Pd/ZnO和未掺杂ZnO对不同气体的选择性，c)为Au/ZnO及Pd/ZnO和未掺杂ZnO对于不同浓度丙酮气体的灵敏度(低浓度)，d)为Au/ZnO及Pd/ZnO和未掺杂ZnO对于不同浓度丙酮气体的灵敏度(高浓度)。具体实施方式本专利技术提供一种掺杂的ZnO材料及其制备方法与丙酮传感器，为使本专利技术的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本专利技术进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术实施例提供一种掺杂的ZnO材料的制备方法，其中，包括步骤：S10、将锌源与水混合，搅拌直至锌源溶解，之后加入碱源和无水乙醇，搅拌直至得到澄清溶液；S20、向澄清溶液中加入可溶性金源或者可溶性钯源，将得到的溶液转移至微波反应仪中进行反应；S30、反应结束后依次进行冷却、洗涤、干燥及退火，得到Au或Pd掺杂的ZnO材料。现有技术中，一般先合成金属氧化物，然后再把掺杂剂通过浸渍的物理方法加入到氧化物中。本实施例采用一步微波水热法直接将Au或者Pd掺杂到ZnO材料中，制备操作容易，过程简单。与普通物理掺杂相比，采用本实施例方法掺杂剂分散的更均匀，合成出的复合材料中各组分可以实现在分子层面上接触。本实施例中的基于Au或Pd掺杂的ZnO材料的丙酮传感器对低浓度的丙酮展现出较好的气敏特性，其具有低的工作温度、高的灵敏度、广泛的检测范围(5ppb-100ppm)、优异的选择性、快速的响应速度。贵金属(Au和Pd))掺杂不仅可以改变材料的能带结构，增加活性位点数量，还可以催化和活化气体反应。除此之外，采用一步微波水热法合成的掺杂的ZnO材料颗粒尺寸小(纳米级)，且具有多孔结构，提高了气体的渗透效率及与材料的接触面积。因此通过加入不同贵金属可以增强传感器对于丙酮的敏感特性，这为制作超低浓度(ppb)丙酮传感器提供新途径。在一种实施方式中，锌源、碱源与可溶性金源的摩尔比为1.:22～44:0～0.077；或者锌源、碱源与可溶性钯源的摩尔比为1:22～44:0～0.088。极少量的贵金属掺杂可以避免贵金属覆盖ZnO活性位点，不利于气敏特性。在一种实施方式中，步骤S10包括：将锌源倒入烧杯，加入蒸馏水，搅拌直至锌源颗粒完全溶解，之后加入碱源，然后加入无水乙醇，搅拌直至得到澄清溶液。在一种实施方式中，所述锌源选自醋酸锌、氯化锌和硝酸锌等易溶于水的锌盐中的一种或多种。在一种实施方式中，所述碱源选自氢氧化钾和氢氧化钠等中的一种。在一种实施方式中，步骤S20包括：向澄清溶液中加入可溶性金源或者可溶性钯源，将得到的溶液转移至微波反应器中，设置好微波反应器的温度，在该高温下反应一段时间。在一种实施方式中，所述可溶性金源为氯金酸、硝酸金、氯化金、乙酸金等不限于此。在一种实施方式中，所述可溶性钯源为硝酸钯、氯化钯、硫酸钯等不限于此。在一种实施方式中，所述反应的温度为140～180℃。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种掺杂的ZnO材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：/n将锌源与水混合，搅拌直至锌源溶解，之后加入碱源和无水乙醇，搅拌直至得到澄清溶液；/n向澄清溶液中加入可溶性金源或者可溶性钯源，将得到的溶液转移至微波反应仪中进行反应；/n反应结束后依次进行冷却、洗涤、干燥及退火，得到Au或Pd掺杂的ZnO材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种掺杂的ZnO材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：
将锌源与水混合，搅拌直至锌源溶解，之后加入碱源和无水乙醇，搅拌直至得到澄清溶液；
向澄清溶液中加入可溶性金源或者可溶性钯源，将得到的溶液转移至微波反应仪中进行反应；
反应结束后依次进行冷却、洗涤、干燥及退火，得到Au或Pd掺杂的ZnO材料。


2.根据权利要求1所述的掺杂的ZnO材料的制备方法，其特征在于，所述反应的温度为140～180℃；和/或反应的时间为30～60min。


3.根据权利要求1所述的掺杂的ZnO材料的制备方法，其特征在于，所述退火的温度为400～550℃；和/或退火的时间为2～5h。


4.根据权利要求1所述的掺杂的ZnO材料的制备方法，其特征在于，锌源、碱源与可溶性金源的摩尔比为1:22～44:0～0.077；或者
锌源、碱源与可溶性钯源的摩尔比为1:22～44:0～0.088。


5.根据权利要求1所述的掺杂的ZnO材料的制备方法，其特征在于，所述锌源选自醋酸...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜宇，黄金玉，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东;44