基于α-Fe2O3纳米线异质外延ZnO@ZIF-8的微孔纳米材料、制备工艺及应用的制作方法

基于
α-fe2o3纳米线异质外延zno@zif-8的微孔纳米材料、制备工艺及应用
技术领域
1.本发明涉及半导体纳米材料制备和气体传感应用技术领域，具体涉及一种基于α-fe2o3纳米线异质外延zno@zif-8的微孔纳米材料、制备工艺及应用。


背景技术：

2.硫化氢是一种酸性有害腐蚀性气体，产生于天然气净化、石油精炼、污水处理、合成人造纤维、煤气制造、制药、造纸等生产工艺以及有机物腐败过程。硫化氢化学性质不稳定，与空气混合燃烧时会发生爆炸，泄漏会造成严重的环境污染。除此之外，硫化氢还会对人体健康造成极大危害。硫化氢是强神经毒物，对粘膜有明显的刺激作用，浓度较低时会造成眼睛刺痛、流泪、呕吐，甚至肺炎和肺水肿；而吸入高浓度硫化氢时会麻痹人体的嗅觉神经，导致意识突然丧失，甚至昏迷窒息致死。因此，开发灵敏度高、响应迅速、稳定性好的硫化氢气体传感器对环境中硫化氢的浓度进行实时监控意义重大。而随着现代医学的不断发展，高精度、高选择性的硫化氢气体传感器还能够广泛应用于呼出气疾病检测的领域，例如已有相关文献报道测定人体呼出气中硫化氢的浓度能够高效无创地筛查哮喘和慢性阻塞性肺病（copd）等疾病。此外，生活中部分食品在变质过程中会产生臭鸡蛋味特殊气体，因此硫化氢气体传感器在食品安全领域也具有极大的应用前景。
3.近年来，包括电化学式和化学电阻式等各种形式的气体传感器被广泛应用于各个领域的硫化氢气体传感。其中，半导体化学电阻式由于具有灵敏度高、器件结构简单、成本低等优势受到了重点研究关注。开发高效气敏材料对于制备高性能的化学电阻式气体传感器至关重要。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于α-fe2o3纳米线异质外延zno@zif-8的微孔纳米材料、制备工艺及应用。本发明提出了一种新型高效的大规模制备α-fe2o3纳米线异质外延zno@zif-8的微孔纳米材料的合成路线，具体方案是首先通过工艺简单的热氧化法制备核层α-fe2o3纳米线，然后借助原子层沉积技术异质外延zno作为籽晶层，并通过溶剂热工艺进一步外延mof材料zif-8，最终得到α-fe2o3纳米线异质外延zno@zif-8的微孔纳米材料。其中，本发明采用先进的原子层沉积技术和简单的溶剂热法，具有可重复性好、成品率高、制备效率高和可规模化生产等优点，为规模化制备新型异质mos@mof气敏纳米材料提供了一种全新的思路。本发明制备得到的mof基异质微孔纳米线气敏材料具有孔隙率高、比表面积大、热稳定性较优等特点，能够对ppb级微量硫化氢气体实现超灵敏、高精度、高选择性的探测。
5.本发明中，核层α-fe2o3纳米线的制备采用热氧化法，借助原子层沉积技术异质外延zno作为籽晶层，并通过溶剂热工艺进一步外延zif-8而得到最终的产物，即α-fe2o3纳米线异质外延zno@zif-8的微孔纳米材料。本发明的技术解决方案具体如下。
6.本发明提供一种基于α-fe2o3纳米线异质外延zno@zif-8的微孔纳米材料的制备工艺，具体步骤如下：（1）将超声清洗并充分干燥的泡沫铁作为衬底和源材料，放入马弗炉中热氧化，得到α-fe2o3纳米线；（2）将步骤（1）中制备得到的长有α-fe2o3纳米线的泡沫铁衬底放入原子层沉积系统中沉积zno薄膜，为后续zif-8的生长提供籽晶层；（3）将步骤（2）中经原子层沉积制备得到的样品倒扣于水热釜中，经溶剂热法外延生长zif-8纳米结构，反应完成后用无水乙醇冲洗并烘干，得到α-fe2o3纳米线异质外延zno@zif-8的微孔纳米材料。
7.上述步骤（1）中，超声清洗具体包括依次用无水乙醇和去离子水各超声清洗10~15 min。
8.上述步骤（1）中，马弗炉热氧化工艺的气氛为空气，生长温度为600~800 ℃，生长时间为6~12小时。
9.上述步骤（1）中，得到的α-fe2o3纳米线平均直径为60~110 nm，平均长度为10~15
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m。
10.上述步骤（2）中，原子层沉积的具体工艺为选择dez（二乙基锌）作为锌源，去离子水作为氧源，设定反应温度为150~220 ℃,，最终zno薄膜的生长速率为0.20~0.30 nm/循环。
11.上述步骤（2）中，原子层沉积zno薄膜的厚度为5~50 nm。
12.上述步骤（3）中，溶剂热生长的溶剂为体积比为3:1的dmf/h2o溶液，前驱体为2-甲基咪唑，前驱体溶液浓度为0.05~0.4 mol/l，生长温度为60~80 ℃，生长时间为5-10小时。
13.本发明还提供一种上述制备工艺制得的基于α-fe2o3纳米线异质外延zno@zif-8的微孔纳米材料。本发明得到的α-fe2o3异质外延zno@zif-8的微孔纳米线的平均直径为70~400 nm，平均长度为10~15
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m，微孔的平均孔径为0.3-0.4 nm。
14.本发明进一步提供一种基于α-fe2o3纳米线异质外延zno@zif-8的微孔纳米材料在硫化氢气体传感方面的应用。本发明得到的α-fe2o3纳米线异质外延zno@zif-8的微孔纳米材料能够探测0.05~50 ppm的硫化氢气体，可以广泛应用于环境监测，人体呼出气疾病检测和分析，气体泄漏监测，和食品安全检测等领域。
15.和现有技术相比，本发明的有益效果在于：1、相比于其它单一金属氧化物核壳异质纳米材料，本发明在α-fe2o3@zno核壳纳米材料的基础上进一步水热外延了mof材料zif-8，zif-8本身是一种新型金属-有机框架组成的多孔晶体材料，一方面能够有效增加材料的孔隙率和比表面积，有利于大幅提高材料对气体的吸附和响应能力，同时有效缩短响应时间和恢复时间；另一方面，规则的孔隙能够有效阻隔尺寸大于孔隙的气体分子，大幅提高材料的选择性，有效解决纯mos材料选择性差的问题。
16.2、相比于其它同质金属氧化物@mof材料，本发明结合原子层沉积技术实现了mof材料的异质外延，也就是在α-fe2o3纳米线上异质外延出zno@zif-8微孔纳米材料，α-fe2o3与zno之间异质结的存在能够进一步提升材料的气敏响应。
17.3、本发明的zif-8材料的异质外延通过原子层沉积zno籽晶层得以实现，原子层沉
积工艺能够在较高深宽比的纳米线材料上实现异质籽晶层的均匀包覆，具有一致性和重复性好，制备效率高，适合规模化制备等优势。
18.4、本发明的α-fe2o3纳米线异质外延zno@zif-8的微孔纳米气敏材料能够对0.05~50 ppm微量h2s实现超灵敏、高选择性探测，可以广泛应用于环境监测，人体呼出气疾病分析，气体泄漏监测，和食品安全检测等领域。
附图说明
19.图1为本发明一种基于α-fe2o3纳米线异质外延zno@zif-8的微孔纳米材料制备工艺的流程框图。
20.图2为实施例1得到的α-fe2o3纳米线异质外延zno@zif-8的微孔纳米材料的sem表征图。
21.图3为实施例1得到的α-fe2o3纳米线异质外延zno@zif-8的微孔纳米材料的tem表征图。
22.图4为实施例1得到的纯α-fe2o3纳米线、α-fe2o3@zno核壳纳米线和α-fe2o3@zno@zif-8异质微孔纳米线这三个器件的微量h2s气敏性能测试结果图。
23.图5为实施例1得到的α-fe2o3纳米线异质外延zno@zif-8的微孔纳米材料基气体传感器件对七种常见气体（h2s、nh3、丙酮、乙醇、甲烷、co和no2）的选择性气敏测试结果图。
24.图6为实施例2得到的α-fe2o3纳米线异质外延zno@zif-8的微孔纳米材料的sem表征图。
25.图7为实施例2得到的α-fe2o3纳米线异质外延zno@zif-8的微孔纳米材料基气体传感器件的微量h2s气敏性能测试结果图。
具体实施方式
26.以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
27.本发明一种基于α-fe2o3纳米线异质外延zno@zif-8的微孔纳米材料制备工艺的流程框图如图1所示。
28.实施例1（1）将无水乙醇和去离子水各超声清洗10 min并充分干燥的泡沫铁（1cm*1cm ）作为衬底和源材料，放入马弗炉中进行热氧化，生长温度为600 ℃，生长时间为12小时，得到α-fe2o3纳米线，其平均直径约为70 nm，平均长度为10
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m以上；（2）将步骤（1）中制备得到的长有α-fe2o3纳米线的泡沫铁衬底放入原子层沉积系统中沉积zno薄膜，为后续zif-8的生长提供籽晶层，其中选择dez（二乙基锌）作为锌源，去离子水作为氧源，设定反应温度为200 ℃，生长循环数为125 cycles，制备得到α-fe2o3纳米线异质外延zno薄膜材料，其中zno壳层薄膜厚度为25 nm；（3）将0.2 g 2-甲基咪唑溶解于16 ml体积比为3:1的dmf/h2o溶剂中作为溶剂热反应的前驱液，并倒入30 ml水热釜中；（4）将步骤（2）中经原子层沉积制备得到的样品倒扣于水热釜中，并将水热釜放入烘箱中70 ℃反应8小时，反应完成待自然冷却至室温后用无水乙醇冲洗样品并烘干，得到α-fe2o3纳米线异质外延zno@zif-8的微孔纳米材料，其sem图和tem图如图2和图3所示，可见
微孔纳米材料zif-8较为均匀地包覆在α-fe2o3@zno纳米线表面，并且α-fe2o3异质外延zno@zif-8的微孔纳米线的平均直径约为320 nm，平均长度10
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m以上，微孔的平均孔径为0.34 nm。
29.实施例中，分别利用得到的纯α-fe2o3纳米线，α-fe2o3@zno核壳纳米线和α-fe2o3@zno@zif-8异质微孔纳米线，对0.2~10 ppm的h2s气体进行气体传感测试。
30.如图4所示，测试结果如下：对10 ppm的h2s气体，α-fe2o3@zno@zif-8异质微孔纳米线的响应值（定义为ra/rg，其中ra是空气中电阻，rg是待测气体中电阻）为32.2，而纯α-fe2o3纳米线的响应值为2.4，α-fe2o3@zno核壳纳米线的响应值为20.5，结果显示本发明的α-fe2o3纳米线异质外延zno@zif-8的微孔纳米气敏材料对10 ppm的h2s气体的传感响应相比于纯α-fe2o3纳米线提高了12倍以上，相比于α-fe2o3@zno核壳纳米线也有明显提升。同时，测试结果显示本发明的α-fe2o3纳米线异质外延zno@zif-8的微孔纳米气敏材料对h2s气体的检测限至少低至ppb量级，能实现对h2s气体的痕量检测。
31.此外，对得到的α-fe2o3纳米线异质外延zno@zif-8的微孔纳米材料进行了选择性测试，即分别对相同浓度（10 ppm）的h2s、nh3、丙酮、乙醇、甲烷、co和no2进行了气体传感测试。如图5所示，本发明的α-fe2o3纳米线异质外延zno@zif-8的微孔纳米气敏材料对h2s气体展现了极为优异的选择性。
32.实施例2与实施例1类似，其区别在于一步原子层沉积的zno籽晶层厚度为30 nm，得到的α-fe2o3纳米线异质外延zno@zif-8的微孔纳米材料的sem表征图如图6所示，其中α-fe2o3异质外延zno@zif-8的微孔纳米线的平均直径约为350 nm，平均长度10
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m以上，可知当zno籽晶层厚度相比实施例1 增加时，最终合成的α-fe2o3纳米线异质外延zno@zif-8的微孔纳米的平均直径相应有所增加，微孔纳米材料zif-8则仍然较为均匀地包覆在α-fe2o3@zno纳米线表面。对zno籽晶层厚度为30 nm得到的α-fe2o3纳米线异质外延zno@zif-8的微孔纳米材料也进行了h2s气体传感性能测试，其结果如图7所示，其响应虽然比实施例1中zno籽晶层厚度为25 nm得到的α-fe2o3纳米线异质外延zno@zif-8的微孔纳米材料略低，但相比纯α-fe2o3纳米线和α-fe2o3@zno核壳纳米线提升仍较为明显。
33.以上实施例详细描述了本发明的实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。