一种提升金属氧化物纳米材料气敏性能的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种提升金属氧化物纳米材料气敏性能的方法，该方法利用浸渍法修饰金属氧化物纳米材料（如纳米ZnO、SnO2、WO3等），将金属氧化物纳米材料分别浸渍在铁盐和铌盐的溶液中，然后高温焙烧，得到Nb2O5?Fe2O3修饰的金属氧化物纳米材料。金属氧化物表面用Nb2O5?Fe2O3特异性修饰之后可极大提升金属氧化物纳米材料的选择性和灵敏度，解决金属氧化物选择性差的难题。该方法的优点在于制备工艺简单，制备成本低，且性能稳定，气体选择性好，具有广阔的应用前景。
【专利说明】
一种提升金属氧化物纳米材料气敏性能的制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及气敏传感器技术领域，具体是指一种提升金属氧化物材料气敏特性的方法。【背景技术】[00〇2]金属氧化物如ZnO、Sn〇2、W03等由于具有性能优异、环境友善、资源丰富、价格低廉等优点，是研究较为广泛的气敏材料。但是金属氧化物对大多数气体均有响应，通过构建不同结构、晶型的金属氧化物可以改善灵敏度、响应/恢复时间等，但是选择性差的难题难以得到解决。
[0003]通过金属氧化物复合材料、表面修饰等工艺可提升材料的气敏性能，在气敏传感器领域有非常广泛的应用，过渡金属氧化物作为重要的修饰材料在材料修饰方面得到广发应用，但是Nb2〇5和Fe2〇3的组合及制备目前尚未得到重视，本发明利用Nb2〇5与金属氧化物的能带差构建p-n结及Fe2〇3的变价特性提升敏感材料的气体选择特性，可加快气体的吸附及反应特性，大大提尚材料的反应活性和响应时间，因此可以提尚气敏材料的灵敏度、响应时间和选择性。
[0004]目前常用的材料修饰/负载方法为浸渍法、混合法、沉淀法等，其中浸渍法由于具有制备方法简单、可对现有商业产品进一步修饰和易于实际应用等特征，是目前应用最为广泛，也是最常规的表面修饰制备方法。
[0005]本发明提供一种简单的提升金属氧化物气敏特性的方法，可大幅提高现有商业金属氧化物的气敏特性，且制备工艺简单，制备的成本低，对进一步推进半导体气敏器件的发展具有实际应用价值。
【发明内容】
[0006]为克服现有技术的不足，本发明提供一种简单可行的提升金属氧化物纳米材料气敏特性的方法，利用商业金属氧化物(如Zn0、Sn02、W03等)做载体，利用浸渍法在金属氧化物表面原位反应生成Nb205和Fe203修饰金属氧化物，利用高温焙烧形成掺杂，可极大提升金属氧化物的选择性，该方法制备工艺简单，使金属氧化物体系材料在气敏传感器领域具有更加广阔的应用前景。
[0007]—种提升金属氧化物纳米材料气敏性能的方法，其特征在于，包括如下步骤:(1)称取一定量的Fe(N03)3 ? 9H2〇溶于20mL去离子水中，搅拌，然后加入4g的金属氧化物纳米材料，室温搅拌8?12小时，将所得沉淀80 °C干燥10小时;将干燥好的样品在空气氛围 300°0500°C焙烧2小时后，得到Fe203/金属氧化物复合材料；(2)取一定量的铌盐，溶入20 mL的无水乙醇或2-丙醇中，将步骤(1)所得样品在铌盐的乙醇或2-丙醇溶液中搅拌浸泡8?12 h，将沉淀后的样品在80°C干燥10小时;将干燥好的样品在空气氛围350°0550°C焙烧2小时后，得到Nb205-Fe203/金属氧化物复合材料。
[0008]步骤(1)中所说的金属氧化物纳米材料为商业ZnO，Sn〇2，W〇3中的一种。
[0009] 步骤(1)中所说的Fe(N〇3)3 ? 9H20的浓度为0.05?1 mol/L。[0〇1〇] 步骤(1冲所说的Fe(N〇3)3 ? 9H20可以用等摩尔量的FeCl3或Fe2(S〇4)3 ? xH20代替。 [0〇11] 步骤⑵中所说的铌盐为NbCl5,乙酸铌中的一种；步骤(2)中所说的铌盐的浓度为0.08?1.5 mo 1 /L。
[0012]本发明的一种提升金属氧化物纳米材料气敏性能的方法包括如下步骤:步骤一:称取一定量的Fe(N03)3 ? 9H20(或FeCl3或Fe2(S〇4)3 ? xH20)溶于20mL去离子水中，Fe(N03)3 ? 9H20的浓度在0.05?1 mol/L之间，搅拌，然后加入4 g的金属氧化物纳米材料 (商业211〇,511〇2，103)，室温搅拌8~12小时，将所得沉淀80°(:干燥10小时;将干燥好的样品在空气氛围300°0500°C焙烧2小时后，得到Fe2〇3/金属氧化物复合材料；步骤二:取一定量的铌盐(他(:15或乙酸铌)，溶入20 mL的无水乙醇或2-丙醇中，铌盐的浓度在〇.08?1.5 mol/L之间，将步骤一所得样品在铌盐的乙醇或2-丙醇溶液中搅拌浸泡8? 12 h，将沉淀后的样品在80°C干燥10小时。将干燥好的样品在空气氛围350°0550°C焙烧2 小时后，得到Nb2〇5-Fe2〇3/金属氧化物复合材料。【附图说明】[0〇13] 图1为本发明的Nb2〇5-Fe2〇3/纳米Sn〇2及商业纳米Sn〇2对不同气体的灵敏度。【具体实施方式】
[0014] 实施例1:称取15mmol的Fe(N〇3)3 ? 9H2〇溶于20mL去离子水中，搅拌，然后加入4 g的商业纳米 ZnO,室温搅拌10小时，将所得沉淀80 °C干燥10小时;将干燥好的样品在空气氛围450 °C焙烧 2小时后，得到Fe2〇3/纳米ZnO复合材料；取5mol的NbCl5,溶入20 mL的2-丙醇中，Fe2〇3/纳米ZnO复合材料在他(:15的2_丙醇溶液中搅拌浸泡10 h，将沉淀后的样品在80°C干燥10小时。将干燥好的样品在空气氛围500°C焙烧2小时后，得到Nb2〇5-Fe2〇3/纳米ZnO复合材料。[〇〇15]本实施例制得的粉体分散涂于六脚陶瓷管气敏测试元件上，采用WS-30A型气敏元件测试系统测试不同浓度下对C0气体的响应，对lppm的C0气体灵敏度达到为18.29。
[0016]实施例2:称取15mmol的Fe(N〇3)3 ? 9H2〇溶于20mL去离子水中，搅拌，然后加入4 g的商业纳米 Sn02，室温搅拌10小时，将所得沉淀80 °C干燥10小时；将干燥好的样品在空气氛围450 °C焙烧2小时后，得到Fe2〇3/纳米Sn02复合材料；取5mol的NbCl5,溶入20 mL的2-丙醇中，Fe2〇3/纳米Sn02复合材料在他(:15的2_丙醇溶液中搅拌浸泡10 h，将沉淀后的样品在80°C干燥10小时。将干燥好的样品在空气氛围500°C 焙烧2小时后，得到Nb2〇5-Fe2〇3/纳米Sn02复合材料。
[0017]本实施例制得的粉体分散涂于六脚陶瓷管气敏测试元件上，采用WS-30A型气敏元件测试系统测试气体浓度100ppm时对不同气体的灵敏度如图1所示。
[0018]实施例3:称取15mmol的Fe(N〇3)3 ? 9H2〇溶于20mL去离子水中，搅拌，然后加入4 g的商业W〇3纳米材料，室温搅拌10小时，将所得沉淀80 °C干燥10小时；将干燥好的样品在空气氛围450°C焙烧2小时后，得到Fe2〇3/纳米ZnO复合材料；取5mol的NbCl5,溶入20 mL的2-丙醇中，Fe2〇3/纳米ZnO复合材料在他(:15的2_丙醇溶液中搅拌浸泡10 h，将沉淀后的样品在80°C干燥10小时。将干燥好的样品在空气氛围500°C焙烧2小时后，得到Nb2〇5-Fe2〇3/ W03复合材料。
[0019]本实施例制得的粉体分散涂于六脚陶瓷管气敏测试元件上，采用WS-30A型气敏元件测试系统测试不同浓度下对C0气体的响应，lppm对C0气体灵敏度达到为14.1。
[0020]实施例4:称取5mmol的FeCh溶于20mL去离子水中，搅拌，然后加入4 g的商业纳米Sn〇2,室温搅拌10小时，将所得沉淀80 °C干燥10小时;将干燥好的样品在空气氛围400 °C焙烧2小时后，得到Fe2〇3/纳米Sn〇2复合材料；取15mol的NbCl5,溶入20 mL的2-丙醇中，Fe2〇3/纳米Sn02复合材料在他(:15的2_丙醇溶液中搅拌浸泡10 h，将沉淀后的样品在80°C干燥10小时。将干燥好的样品在空气氛围500°C 焙烧2小时后，得到Nb2〇5-Fe2〇3/纳米Sn02复合材料。
[0021]本实施例制得的粉体分散涂于六脚陶瓷管气敏测试元件上，采用WS-30A型气敏元件测试系统测试不同浓度下对C0气体的响应，lppm对C0气体灵敏度达到为32.81。[〇〇22]实施例5:称取3mmol的FeCh溶于20mL去离子水中，搅拌，然后加入4 g的商业纳米Sn〇2,室温搅拌10小时，将所得沉淀80 °C干燥10小时;将干燥好的样品在空气氛围400 °C焙烧2小时后，得到Fe2〇3/纳米Sn〇2复合材料；取2mmol的NbCl5,溶入20 mL的2-丙醇中，Fe2〇3/纳米Sn02复合材料在恥(:15的2-丙醇溶液中搅拌浸泡10 h，将沉淀后的样品在80°C干燥10小时。将干燥好的样品在空气氛围500°C 焙烧2小时后，得到Nb2〇5-Fe2〇3/纳米Sn02复合材料。[〇〇23]本实施例制得的粉体分散涂于六脚陶瓷管气敏测试元件上，采用WS-30A型气敏元件测试系统测试不同浓度下对C0气体的响应，lppm对C0气体灵敏度达到为14.3。
【主权项】
1.一种提升金属氧化物纳米材料气敏性能的方法，其特征在于，包括如下步骤:(1)称取一定量的Fe(N03)3 ? 9H20溶于20mL去离子水中，搅拌，然后加入4g的金属氧化 物纳米材料，室温搅拌8?12小时，将所得沉淀80 °C干燥10小时;将干燥好的样品在空气氛围 300°0500°C焙烧2小时后，得到Fe2〇3/金属氧化物复合材料；(2)取一定量的铌盐，溶入20 mL的无水乙醇或2-丙醇中，将步骤(1)所得样品在铌盐的 乙醇或2-丙醇溶液中搅拌浸泡8?12 h，将沉淀后的样品在80°C干燥10小时;将干燥好的样 品在空气氛围350°0550°C焙烧2小时后，得到Nb2〇5-Fe2〇3/金属氧化物复合材料。2.根据权利要求1所述的一种提升金属氧化物纳米材料气敏性能的方法，其特征在于， 步骤(1)中所说的金属氧化物纳米材料为商业ZnO，Sn〇2，W〇3中的一种。3.根据权利要求1所述的一种提升金属氧化物纳米材料气敏性能的方法，其特征在 于，步骤(1)中所说的Fe(N03)3 ? 9H20的浓度为0.05?1 mol/L。4.根据权利要求1所述的一种提升金属氧化物纳米材料气敏性能的方法，其特征在于， 步骤(1)中所说的Fe(N03)3 ? 9H20可以用等摩尔量的FeCl3或Fe2(S〇4)3 ? xH20代替。5.根据权利要求1所述的一种提升金属氧化物纳米材料气敏性能的方法，其特征在于， 步骤(2)中所说的铌盐为NbCl5,乙酸铌中的一种。6.根据权利要求1所述的一种提升金属氧化物纳米材料气敏性能的方法，其特征在于， 步骤(2 )中所说的铌盐的浓度为0.08?1.5 mo 1 /L。
【文档编号】G01N33/00GK106093302SQ201610398331
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月7日
【发明人】何丹农, 葛美英, 尹桂林, 章龙, 林琳, 卢静, 金彩虹
【申请人】上海纳米技术及应用国家工程研究中心有限公司