本發(fā)明涉及一種基于ybfeo3-bifeo3復(fù)合敏感材料及其制備方法和在丙酮氣體傳感器中的應(yīng)用，屬于半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感器。

背景技術(shù)：

1、隨著醫(yī)學(xué)的發(fā)展，呼吸生物標(biāo)志物檢測成為一種頗具前途的非侵入式疾病診斷技術(shù)。作為糖尿病的呼吸生物標(biāo)志物，丙酮檢測為糖尿病早期診斷提供了一種簡單、有效并且無創(chuàng)的方法。健康人群的呼氣中丙酮濃度低于0.9ppm，而糖尿病患者中丙酮濃度則高于1.8ppm。因此，開發(fā)高靈敏度、低檢測限的丙酮氣體傳感器對于預(yù)防和診斷糖尿病至關(guān)重要。

2、目前，研究者相繼開發(fā)了基于二元金屬氧化物sno2、wo3、zno、fe2o3、co3o4、cuo、nio等的丙酮氣體傳感器，但是它們?nèi)匀幻媾R靈敏度低、檢測限高和特別是工作溫度高的挑戰(zhàn)，這阻礙了其在糖尿病診斷方面的應(yīng)用。雖然鈣鈦礦型三元氧化物abo3(例如bifeo3)因其高度可調(diào)的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成、摻雜后的非化學(xué)計量穩(wěn)定性等特點在氣敏材料中展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。但現(xiàn)有的鈣鈦礦型三元氧化物(例如bifeo3)的丙酮氣體傳感性能較低，在檢測低濃度丙酮氣體的應(yīng)用中仍然面臨挑戰(zhàn)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為此，本發(fā)明提供了一種丙酮氣敏材料及其制備方法和基于ybfeo3-bifeo3復(fù)合敏感材料丙酮氣體傳感器的應(yīng)用。

2、一方面，本發(fā)明提供了一種丙酮氣敏材料，其特征在于，所述丙酮氣敏材料的組成為ybfeo3-bifeo3復(fù)合材料，且ybfeo3和bifeo3之間形成p-p異質(zhì)結(jié)。

3、本發(fā)明中，利用兩種氣敏材料復(fù)合形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，利用二者的協(xié)同效應(yīng)可以進一步改善氣敏性能，從而獲得高性能丙酮氣體傳感器。

4、具體工作原理為：當(dāng)ybfeo3-bifeo3傳感器暴露于空氣中時，氧分子吸附在表面，通過捕獲復(fù)合材料的電子轉(zhuǎn)化為吸附氧離子(o2-、o-、o2-)。因此，表面的空穴濃度增加，導(dǎo)致電阻降低。當(dāng)傳感器暴露于丙酮氣體中時，丙酮分子與氧離子發(fā)生氧化還原反應(yīng)，電子被釋放回復(fù)合材料中，此時電子與空穴復(fù)合，使得空穴濃度降低，導(dǎo)致電阻增加。通過測量傳感器與丙酮氣體接觸前后的電阻變化，從而達到檢測丙酮的目的。丙酮傳感器的響應(yīng)度定義為傳感器在丙酮中的電阻rg和空氣中電阻ra的比值。

5、與bifeo3相比，ybfeo3-bifeo3復(fù)合材料由于p-p異質(zhì)結(jié)的形成和fe2+/fe3+氧化還原對的增加提升了對丙酮氣體的響應(yīng)強度。一方面，由于ybfeo3的帶隙(1.7ev)小于bifeo3的帶隙，電子會從bifeo3轉(zhuǎn)移到y(tǒng)bfeo3，而空穴從ybfeo3轉(zhuǎn)移到bifeo3，異質(zhì)結(jié)處的能帶彎曲，直到費米能級達到平衡。異質(zhì)結(jié)的形成可以促進界面電子轉(zhuǎn)移和界面反應(yīng)，并增強表面氧的吸附，從而提高氣敏性能。另一方面，基于該方法制備的ybfeo3-bifeo3復(fù)合材料具有較多的fe2+/fe3+氧化還原對。在氧吸附過程中，fe2+被氧化為fe3+，釋放出電子提供給吸附氧，這促進了氧離子的大量吸附。與丙酮反應(yīng)后，電子被釋放到復(fù)合材料中，促使fe3+被還原為fe2+。因此，fe2+/fe3+濃度提高也促進了ybfeo3-bifeo3復(fù)合材料對丙酮的響應(yīng)。

6、較佳的，所述ybfeo3-bifeo3復(fù)合材料中ybfeo3的含量為1～25wt.％，優(yōu)選為5～20wt.％，更優(yōu)選為6～16wt.％，最優(yōu)選為10～14wt.％。

7、較佳的，所述ybfeo3-bifeo3復(fù)合材料的粒徑為0.2～5μm，優(yōu)選為0.2～1μm。

8、第二方面，本發(fā)明提供了一種丙酮氣敏材料的制備方法，包括：

9、1)取yb2o3粉體和bifeo3粉體混合，在650～750℃焙燒3～5h，得到焙燒粉體；

10、2)將所得焙燒粉體置于硝酸溶液中攪拌處理，再經(jīng)洗滌和干燥，得到所述ybfeo3-bifeo3復(fù)合材料。

11、較佳的，所述yb2o3粉體的質(zhì)量為bifeo3粉體質(zhì)量的1～15wt.％；

12、所述硝酸溶液的濃度為1～3mol/l；

13、所述攪拌處理的轉(zhuǎn)速為600～800轉(zhuǎn)/分鐘，時間為0.5～2h。

14、第三方面，本發(fā)明提供了一種基于ybfeo3-bifeo3復(fù)合材料的丙酮氣體傳感器，其特征在于，包括：上述丙酮氣敏材料制備的ybfeo3-bifeo3敏感膜。

15、較佳的，基于ybfeo3-bifeo3復(fù)合材料的丙酮氣體傳感器，包括：襯底、形成在襯底一側(cè)表面的叉指電極和ybfeo3-bifeo3敏感膜，以及形成在襯底另一側(cè)表面的加熱電極。

16、較佳的，所述ybfeo3-bifeo3敏感膜的厚度為40～80μm。

17、較佳的，所述叉指電極的組成為au、cr或ag-pd。較佳的，所述加熱電極的組成為pt、cu或ni-cr。較佳的，所述襯底的組成為al2o3或si。

18、較佳的，在對丙酮氣體的檢測中，基于ybfeo3-bifeo3復(fù)合材料的丙酮氣體傳感器的最佳工作溫度≤200℃，且在最佳工作溫度下對10ppm丙酮的響應(yīng)高達32.6。

19、再一方面，本發(fā)明提供了一種基于ybfeo3-bifeo3復(fù)合材料的丙酮氣體傳感器的制備方法，所述ybfeo3-bifeo3敏感膜的制備方法包括：

20、(1)將ybfeo3-bifeo3復(fù)合材料分散在有機溶劑中，得到漿料；

21、(2)將所得漿料涂覆在叉指電極表面，再經(jīng)干燥和老化處理，得到y(tǒng)bfeo3-bifeo3敏感膜。

22、較佳的，所述ybfeo3-bifeo3復(fù)合材料和有機溶劑的比為(10～20)mg：(15～30)μl；優(yōu)選地，所述有機溶劑為松油醇、乙醇、丙酮和甘油中的至少一種。

23、較佳的，所述涂覆的方式為絲網(wǎng)印刷法；

24、所述干燥的溫度為200～300℃，時間為4～12h；

25、所述老化處理的溫度為200～300℃，時間為24～48h。

26、有益效果：

27、1、本發(fā)明利用簡單的固相燒結(jié)并結(jié)合酸刻蝕成功制備出ybfeo3-bifeo3復(fù)合材料，制備方法簡單、成本低廉；

28、2、本發(fā)明通過少量ybfeo3與bifeo3復(fù)合，顯著降低了bifeo3基傳感器的檢測下限(理論計算為25ppb)，提高了靈敏度(s＝7@400ppb；s＝32.6@10ppm圖5所示)，并大幅降低了工作溫度(≤200℃)；此外，傳感器具有良好的穩(wěn)定性和選擇性。

技術(shù)特征：

1.一種丙酮氣敏材料，其特征在于，所述丙酮氣敏材料的組成為ybfeo3-bifeo3復(fù)合材料，且ybfeo3和bifeo3之間形成p-p異質(zhì)結(jié)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的丙酮氣敏材料，其特征在于，所述ybfeo3-bifeo3復(fù)合材料中ybfeo3的含量為1～25wt.％，優(yōu)選為5～20wt％，更優(yōu)選為6～16wt.％，最優(yōu)選為10～14wt.％。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的丙酮氣敏材料，其特征在于，所述ybfeo3-bifeo3復(fù)合材料的粒徑為0.2～5μm，優(yōu)選為0.2～1μm。

4.一種如權(quán)利要求1-3中任一項所述的丙酮氣敏材料的制備方法，其特征在于，包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述yb2o3粉體的質(zhì)量為bifeo3粉體質(zhì)量的1～15wt.％；

6.一種基于ybfeo3-bifeo3復(fù)合材料的丙酮氣體傳感器，其特征在于，包括：權(quán)利要求1-3中任一項所述的丙酮氣敏材料制備的ybfeo3-bifeo3敏感膜。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于ybfeo3-bifeo3復(fù)合材料的丙酮氣體傳感器，其特征在于，包括：襯底、形成在襯底一側(cè)表面的叉指電極和ybfeo3-bifeo3敏感膜，以及形成在襯底另一側(cè)表面的加熱電極。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于ybfeo3-bifeo3復(fù)合材料的丙酮氣體傳感器，其特征在于，所述ybfeo3-bifeo3敏感膜的厚度為40～80μm。

9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的基于ybfeo3-bifeo3復(fù)合材料的丙酮氣體傳感器，其特征在于，所述叉指電極的組成為au、cr或ag-pd；所述加熱電極的組成pt、cu或ni-cr；所述襯底的組成為a2o3或si。

10.根據(jù)權(quán)利要求7-9中任一項所述的基于ybfeo3-bifeo3復(fù)合材料的丙酮氣體傳感器，其特征在于，在對丙酮氣體的檢測中，基于ybfeo3-bifeo3復(fù)合材料的丙酮氣體傳感器的最佳工作溫度≤200℃，且在最佳工作溫度下對10ppm丙酮的響應(yīng)高達32.6。

11.一種如權(quán)利要求7-10中任一項所述的基于ybfeo3-bifeo3復(fù)合材料的丙酮氣體傳感器的制備方法，其特征在于，所述ybfeo3-bifeo3敏感膜的制備方法包括：

12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的制備方法，其特征在于，所述ybfeo3-bifeo3復(fù)合材料和有機溶劑的比為(10～20)mg：(15～30)μl；優(yōu)選地，所述有機溶劑為松油醇、乙醇、丙酮和甘油中的至少一種。

13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的制備方法，其特征在于，所述涂覆的方式為絲網(wǎng)印刷法；所述干燥的溫度為200～300℃，時間為4～12h；

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種丙酮氣敏材料及其制備方法和在丙酮氣體傳感器中的應(yīng)用。所述丙酮氣敏材料的組成為YbFeO<subgt;3</subgt;?BiFeO<subgt;3</subgt;復(fù)合材料，且YbFeO<subgt;3</subgt;和BiFeO<subgt;3</subgt;之間形成p?p異質(zhì)結(jié)。

技術(shù)研發(fā)人員：馬楠,陳欣怡
受保護的技術(shù)使用者：中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6