本發(fā)明屬于丙酮傳感，特別涉及一種碳包覆cofe2o4/mxene氣敏元件的制備方法和應用。

背景技術(shù)：

1、丙酮(ch3och3)是一種低沸點，易燃、易爆、有毒的揮發(fā)性有機化合物(vocs)氣體。在醫(yī)學領(lǐng)域，丙酮是一種用來檢測糖尿病的標志物之一，健康人呼出的氣體中丙酮濃度僅為0.3-0.9ppm，而糖尿病人呼出的氣體中丙酮濃度為1.25-2.5ppm。尖晶石結(jié)構(gòu)鈷鐵氧體(cofe2o4)由于其穩(wěn)定性好、電化學性能優(yōu)秀、與氧氣反應時反應性高等優(yōu)點已被開發(fā)為各種電化學氣體傳感器材料。然而cofe2o4工作溫度高，響應/恢復時間長和易團聚的特點限制了其在氣體傳感領(lǐng)域的發(fā)展。作為二維材料的mxene常因為其比表面積大、工作溫度低、電子轉(zhuǎn)移速率快的優(yōu)點作為氣體傳感的通道，為氣體分子反應提供活性位點平臺從而降低工作溫度和響應/恢復時間。并且可以改善小分子物質(zhì)易團聚的缺點。但是單純的mxene?ti3c2存在帶隙窄、基線漂移和穩(wěn)定性較差的問題，一些研究指出可以通過改變mxene?ti3c2的表面結(jié)構(gòu)或構(gòu)建肖特基結(jié)來提高它的氣體傳感特性。通過原位合成形成的mxene/金屬氧化物因為其緊密的化學接觸形成異質(zhì)結(jié)降低了響應/恢復時間和工作溫度。然而，mxene/cofe2o4的復合物仍然有靈敏度較低的缺點，因此亟需一個提高氣體響應的方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、一維碳納米管(cnt)、二維石墨烯(go或rgo)和三維碳泡沫是典型的電介質(zhì)材料，具有重量輕、導電率高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。而生物質(zhì)碳具有更環(huán)保，制備更簡單的優(yōu)點。本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在葡萄糖水熱過程中，由于溶液良好的滲透性可以使碳材料均勻的引入目標被還原材料中，生物質(zhì)中的缺陷和雜原子可以牢固地結(jié)合在碳框架中，將碳包覆mxene/金屬氧化物制成氣敏元件，發(fā)現(xiàn)氣敏性能大為提升。

2、本發(fā)明的目的在于，提供制備金屬氧化物/mxene復合物，并將其進行碳包覆處理，得到一種碳包覆mxene/金屬氧化物氣敏元件的制備方法，制備得到的丙酮傳感器具有快速響應和恢復以及高靈敏度、選擇性的特點。本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)上述目的：

3、一種碳包覆cofe2o4/mxene氣敏元件的制備方法，包括以下制備步驟：

4、(s1)刻蝕mxene前驅(qū)體max得到mxene；

5、(s2)鈷源、鐵源和mxene原位合成法制備cofe2o4/mxene；

6、(s3)cofe2o4/mxene復合結(jié)構(gòu)和碳源通過水熱碳化制備碳包覆cofe2o4/mxene；碳源的用量滿足碳包覆層厚度為1-2nm；

7、(s4)碳包覆cofe2o4/mxene在電流條件下老化，得到碳包覆cofe2o4/mxene氣敏元件。

8、進一步地，步驟(s1)中，前驅(qū)體max選自ti3alc2、ti2alc和nb4alc3中的至少一種；刻蝕是將前驅(qū)體max加入到濃鹽酸和lif混合溶液中，在50-70℃，攪拌條件下進行24-48h，刻蝕完成后，離心，洗滌，干燥，得到mxene。

9、更進一步地，步驟(s1)中，濃鹽酸是10-12m的hcl；前驅(qū)體max、濃鹽酸、lif的比例為0.2-1g：10-30ml：0.2-1g。

10、進一步地，步驟(s2)中，所述鈷源選自醋酸鈷、硝酸鈷、氯化鈷以及它們的水合物中的至少一種；所述鐵源選自三氯化鐵、硝酸鐵、硫酸鐵以及它們的水合物中的至少一種。鈷源、鐵源的摩爾比按照co：fe的摩爾比為1-2:1-2，優(yōu)選1-1.2:1-1.2。mxene加入量使mxene占cofe2o4/mxene結(jié)構(gòu)質(zhì)量的2-10％。

11、進一步地，步驟(s2)中，原位合成反應是將鈷源、鐵源和mxene加入到1，2-丙二醇或者去離子水中，轉(zhuǎn)移到聚四氟乙烯襯里的不銹鋼高壓釜中在140-180℃下反應20-30h，反應后自然冷卻，離心，沉淀物洗滌，干燥，200-400℃焙燒2-5h得到cofe2o4/mxene復合結(jié)構(gòu)。

12、進一步地，步驟(s3)中，將合成的cofe2o4/mxene和碳源分散在水中，在140-180℃下反應5-10h，冷卻后，離心，沉淀物洗滌，干燥，得到碳包覆cofe2o4/mxene結(jié)構(gòu)。

13、更進一步地，所述碳源選自葡萄糖、多巴胺、纖維素中的至少一種；cofe2o4/mxene和碳源的質(zhì)量比為1：0.3-1，優(yōu)選1:0.5-1；或者碳源的用量滿足碳包覆層厚度為1-2nm。碳包覆能夠改善氣敏元件的靈敏度，但是需要將碳包覆的厚度控制在一定范圍內(nèi)才能獲得上述有益效果。因此需要控制碳源的用量，進而控制碳包覆層的厚度。

14、進一步地，步驟(s4)中，老化是將碳包覆cofe2o4/mxene分散在溶劑中，配制為糊狀，涂覆在陶瓷管，陶瓷管干燥，陶瓷管的4個電極絲焊接，加熱絲從陶瓷管中穿過并且兩端也焊接在底座上，進行老化。所述溶劑為水、乙醇或者兩種的混合溶劑；cofe2o4/mxene和溶劑的比例為40-100mg：0.15-0.3ml。優(yōu)選為50mg：0.2?-0.3ml。

15、更進一步地，步驟(s4)中，老化是在80～120ma的電流條件下，老化20-30h。

16、本發(fā)明還提供了上述制備方法制得氣敏元件在檢測丙酮氣體中的用途。具體是，確定氣敏元件對丙酮氣體檢測的最佳工作電流，在此電流條件下測試氣敏元件對丙酮一系列濃度的靈敏度，獲得靈敏度-時間曲線。隨后針對靈敏度值與氣體濃度進行線性回歸分析，通過最小二乘法等數(shù)學手段建立線性擬合模型，進而得到相應的線性對照關(guān)系，從而精確確定靈敏度值和丙酮氣體濃度之間的定量關(guān)系。將氣敏元件在5ppm-300ppm丙酮濃度梯度的氣敏響應值進行線性擬合，得到氣敏響應-濃度的線性擬合圖；當氣敏元件暴露于丙酮環(huán)境中時，根據(jù)氣體靈敏度的響應值對應線性關(guān)系即可得到丙酮的濃度，從而進一步檢測分析。

17、綜上所述，本發(fā)明取得了以下有益效果：

18、一、本發(fā)明提供的一種碳包覆cofe2o4/mxene氣敏元件，制備方法簡單，操作便捷。cofe2o4微球的支撐作用可有效抑制mxene的片層堆疊現(xiàn)象；利用mxene二維層狀結(jié)構(gòu)具有的大比表面積特性，為cofe2o4基體提供大量的成核位點，可有效防止cofe2o4在原位水熱過程中的團聚現(xiàn)象；最后對復合材料進行碳包覆處理，增加了材料的導電性并且調(diào)節(jié)氧空位，進而為丙酮分子提供了更多可能的吸附位點；三者協(xié)同作用使得碳包覆cofe2o4/mxene微球復合結(jié)構(gòu)對丙酮的響應得到疊加，從而顯著提升了基于碳包覆cofe2o4/mxene微球復合結(jié)構(gòu)的丙酮傳感器的氣敏響應性能。

19、二、本發(fā)明提供的碳包覆cofe2o4/mxene氣敏原件，對丙酮傳感器具備快速響應特性、高靈敏度和低檢測限，對100ppm濃度丙酮的氣敏響應值主要分布在50-52區(qū)間范圍內(nèi)，且響應時間集中分布在16-18s之間，恢復時間主要分布在52-54s之間，該氣敏傳感器對于5ppm-300ppm濃度梯度的丙酮的響應值范圍為6-110；且對于ppb級別的丙酮仍有良好的線性響應。此外，該丙酮傳感器還具有良好的重復性、長期穩(wěn)定性以及選擇性。