一种用于室温H2S气敏传感材料氧化镍及其制备方法与流程

本发明涉及纳米材料制备技术领域，具体说涉及一种用于室温H₂S气敏传感材料氧化镍及其制备方法。

背景技术：

半导体型气敏传感器通常是使用半导体金属氧化物或者金属氢氧化物制作而成，该传感器具有很多优点例如：制作工艺简单、灵敏度高、响应速度快、成本低廉、操作起来方便等等，被广泛应用在气体监测，环境安全等方面。半导体气体传感器在气体传感器家族应用中约占60％，根据其机理不同可分为电阻式和非电阻式，其中，在实验中应用最多的是半导体气体传感器主要为电阻型的气体传感器。电阻型半导体气体传感器是根据待测气体在敏感材料表面发生吸附-脱附，传感器的电阻随着待测气体浓度的变化而发生变化的工作原理进行。常见的半导体气体传感器主要有氧化镍(NiO)、氧化铁(Fe₂O₃)、氧化铟(In₂O₃)、二氧化钛(TiO₂)和三氧化钨(WO₃)等。

氧化镍(NiO)作为一种P型氧化物半导体材料，近年来由于发现它具有对H₂S，NO_x，H₂和NH₃等有毒有害性气体的选择性敏感作用而受到人们的关注。H₂S是一种有害气体，广泛存在于煤矿、造纸等工业废气中，空气中允许的H₂S气体的极限是20×10^-6，因此对空气中微量H₂S气体的选择性定量检测已成为环保部门亟待解决的课题之一。近年来有些学者致力于气体气敏传感材料的研究，也有一些相关的研究成果报道[例如：T.T.Yu,X.L.Cheng,X.F.Zhang,L.L.Sui,Y.M.Xu,S.Gao,H.Zhao,L.H.Huo.Highly sensitive H₂S detection sensors at low temperature based on hierarchically structured NiO porous nanowall arrays[J],J.Mater.Chem.A,2015,3,11991-11999.]。

本发明所制备出的氧化镍为三维花状多级纳米结构，明显具有以下优势：其一，制备氧化镍的原料易得，方法简单；其二，具有三维多级花状纳米结构的氧化镍气敏材料具有大的比表面积和孔洞，利于吸附氧和H₂S的有效扩散，也能提供更多的表面活化中心从而有利于提高灵敏度和响应时间。另外，目前合成的用于气敏传感材料的氧化镍进行气敏测试时都需要一定的加热温度，因此能够在室温下测得高的气敏性能是一个很有价值的探索话题。

技术实现要素：

合成一种三维花状多级结构氧化镍纳米材料，本发明是这样实现的，采用水热法合成出用于室温H₂S气敏传感材料的氧化镍纳米材料，该材料除具有花状结构外，同时，该材料还具有树突结构。

一种用于室温H₂S气敏传感材料的氧化镍的制备方法，其特征在于，采用水热法合成，以六水合硝酸镍为基底，尿素为沉淀剂，制备氢氧化镍中间体，将其进行煅烧，制备出氧化镍纳米材料，其步骤为：

(1)氢氧化镍中间体的制备

称取0.1454g六水合硝酸镍与0.1202g尿素加入到50mL烧杯中，加入20mL去离子水，放入超声波清洗仪中超声3min，以使固体原料完全溶解于超纯水中，将得到的澄清绿色溶液装入50mL反应釜中，110℃水热12h，待冷却至室温，将得到的沉淀产物离心洗涤后置于60℃烘箱内烘干12h得到绿色粉末即为氢氧化镍中间体；

(2)热处理得到氧化镍

将上述氢氧化镍中间体放入石英舟中，在马弗炉中以1℃·min^-1的升温速率至300℃，煅烧2小时，得到黑色粉末产物NiO。

(3)H₂S气敏原件的组装及测试

称取2.2mg样品置于2.0mL离心管内，加入去离子水20μL超声5min制得悬浮液。用微量注射器取10μL悬浊液滴在金叉指电极上，放入烘干箱60℃烘干3h，得到气敏元件。通过测试敏感材料在空气中和不同浓度NO_x气体氛围中的电阻变化，灵敏度(Sensitivity，记为S)定义为S＝R_g/R_a，其中R_a为气敏元件在空气中的电阻值，R_g为气敏元件在H₂S气体中的电阻值。响应时间为气敏元件在接触待检测气体时，其灵敏度达到最大灵敏度的85％所需要的时间。

与现有研究成果相比，本发明的优势在于：

1、本发明制备的氧化镍气敏传感材料是在室温下进行测试的；

2、本发明制备的氧化镍气敏传感材料对H₂S有较高的响应；

3、本发明制备的氧化镍气敏传感材料对H₂S的响应具有较快的响应时间，尤其是在97.0ppm浓度下只需要3.5s；

4、本发明制备的氧化镍气敏传感材料流程简单，无需昂贵设备，原料易得，总体成本低廉。

附图说明

图1是NiO纳米材料的15000倍扫描电子显微镜图片；

图2是NiO纳米材料的27000倍扫描电子显微镜图片；

图3是NiO纳米材料的60000倍扫描电子显微镜图片；

图4是NiO纳米材料的220000倍扫描电子显微镜图片；

图5是NiO纳米材料的XRD谱图；

图6是室温下NiO对97.0-0.485ppm H₂S的气敏响应曲线图；

具体实施方式

本发明所选用六水合硝酸镍，尿素均为市售分析纯产品，超纯水实验室自制；所用的玻璃仪器和设备是实验室中常用的仪器和设备。

实施例：称取0.1454g六水合硝酸镍与0.1202g尿素加入到50mL烧杯中，加入20mL去离子水，放入超声波清洗仪中超声3min，以使固体原料能溶解于超纯水中，将得到的澄清绿色溶液装入50mL反应釜中，110℃水热12h，待冷却至室温，将得到的沉淀产物离心洗涤后置于60℃烘箱内烘干12h得到绿色粉末，将粉末产物放入石英舟中，在马弗炉中以1℃·min^-1的升温速率至300℃，煅烧2小时，得到黑色粉末产物，该产物为三维多级纳米花结构，如图1所示。图2-4可以看出该产物还具有树突结构。

所制备的NiO纳米材料具有良好的结晶性，其衍射峰的d值和相对强度与NiO的PDF标准卡片(47-1049)所列的d值和相对强度一致，属于斜方六面体，如图5所示。

称取2.2mg样品置于2.0mL离心管内，加入去离子水20μL超声5min制得悬浮液。用微量注射器取10μL悬浊液滴在金叉指电极上，放入60℃的烘干箱烘干3h，得到气敏元件。采用气敏测试系统测试在室温下对不同浓度H₂S气体的响应，如图6所示有明显响应。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。