空心花团状WO3多级结构气敏材料、合成方法及应用与流程

本发明属于新材料技术领域，具体涉及一种由六方晶相纳米棒组成、(001)晶面暴露的空心花团状WO₃多级结构气敏材料的合成方法及应用。

背景技术：

一氧化碳（CO）广泛存在于人类的生活环境中，是一种毒性很强的污染物。该气体可通过人体的呼吸系统进入循环系统，与血液中的血红蛋白结合，从而降低血液携带氧的能力，导致机体组织因缺氧而坏死，并危及生命。因此，开发响应迅速、灵敏度突出的一氧化碳传感器具有重要意义。

微观结构调控是开发高性能气敏材料的一种重要手段。目前，三维多级纳米结构尤其是具有中空特点的纳米材料在气体传感领域的应用正处于研究热点。2009年，Lee综述了金属氧化物中空多级结构对其气敏性能的突出影响，认为中空多级结构具有较大的表面积、便利的气体迁移通道、不容易团聚的稳定构型，是理想的气敏材料结构，其他研究者的大量研究工作也证实了该结论。此外，晶面工程是近年来晶体研究的一个新进展。研究发现：具有特定暴露晶面的半导体金属氧化物气敏材料，其晶体表面暴露的金属原子和悬挂键越多，就能吸附更多的氧气分子且将其离子化，从而提高对检测气体的敏感度。因此，控制合成暴露特定晶面的纳米材料已成为材料领域的热门课题，而将中空分级结构和特定暴露晶面相结合是一个全新的研究方向，它兼备了二者的优点，可以在很大程度上改善材料的气敏特性，但该项合成技术仍面临挑战。

三氧化钨是一种重要的n型半导体气敏材料，研究表明三氧化钨对CO也有较好的气敏特性，但灵敏度，响应速度及选择性均有待于进一步提高。Nagarajan 和 Zhao 等课题组通过密度泛函理论计算方法研究得知CO在六方晶相WO₃的（001）表面反应可获得较高的吸附能且释放较多反应热，十分有利于提高WO₃对CO的敏感特性。但由于晶体表面控制合成难度高，相关实验鲜有报道。

技术实现要素：

本发明目的在于克服现有技术缺陷，提供一种由六方晶相WO₃纳米棒组成，(001)晶面暴露的空心花团状WO₃多级结构气敏材料。

本发明还提供了上述空心花团状WO₃多级结构气敏材料的合成方法及其在制备CO气敏元件上的应用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种空心花团状WO₃多级结构气敏材料的合成方法，其包括如下步骤：

1）将可溶性钨酸盐在60－80℃水浴加热条件下溶解于去离子水和无水乙醇混合溶液中，然后在搅拌状态下加入多组分结构导向剂，混合均匀（一般需持续搅拌40－60分钟）后放置老化（一般放置10－15分钟即可），获得溶液A；其中，多组分结构导向剂是由质量比为1：0.5－1.3：0.9－1.9的聚乙烯吡咯烷酮、乙酸钠和酒石酸铵组成的混合物；

2）向溶液A中加酸（如可以是盐酸、硫酸或硝酸等）以调整pH值至1－2，超声分散均匀（一般约需10－20分钟）获得混合溶液B；

3）将混合溶液B转移至高压反应釜中，并于120－160℃水热合成反应12－24小时，反应结束后固液分离，经洗涤、干燥即得。

具体的，步骤1）中，所述可溶性钨酸盐为钨酸钠或钨酸铵，且可溶性钨酸盐的浓度为0.1－0.5mol.L^-1；去离子水和无水乙醇的体积比为1：0.5－2.5。

采用上述方法合成得到的空心花团状WO₃多级结构气敏材料。

上述空心花团状WO₃多级结构气敏材料在制备CO气敏元件上的应用。

本发明以可溶性钨酸盐为原料，以去离子水和无水乙醇为溶剂，利用多组分结构导向剂辅助水热法合成具有特定暴露晶面的空心分级结构WO₃气敏材料。和现有技术相比，本发明的有益效果：

1）提供一种新颖的空心花团状WO₃多级结构气敏材料的合成方法，该花团由六方晶相WO₃纳米棒组成，(001)晶面暴露，且花团中空，表面疏松多孔。该合成方法具有成本低、速度快、工艺简单、无环境污染且易于大规模生产等优点；

2）空心花团状WO₃多级结构气敏材料有效的将中空、多级结构与特殊暴露晶面相结合，很好地改善了三氧化钨基体材料对CO气体的气敏特性，所制气敏元件对CO具有灵敏度高、响应-恢复迅速、选择性突出、稳定性好等特点，该材料对于环境中CO的监测有很好的应用前景。

附图说明

图1是空心花团状WO₃多级结构气敏材料的XRD图。通过与标准XRD谱图对比，该产物属于六方晶相WO₃ (JCPDS NO. 33-1387)，纯相，无其它杂质峰存在；

图2是空心花团状WO₃多级结构气敏材料的SEM图，(a)低倍图，(b)高倍图。由图2可知：产物形貌是花团状结构，花团直径为450－600 nm，是由大小不一的纳米棒状晶粒组成，纳米棒晶粒直径为30－95nm，花团表面疏松多孔；

图3中，(a)是空心花团状WO₃多级结构气敏材料的TEM图，从图中可以看出：产物形貌是花团状结构，与SEM结论一致，且内部为空心。(b)是六方晶相纳米棒晶粒的HRTEM图，由HRTEM图中给出的晶格条纹数据可知：0.391nm对应于(001)晶面间距, 说明（001）为暴露晶面，0.365nm和0.634nm分别对应于（110）和（010）晶面间距。(c)为六方晶相晶体结构图示，便于理解图3(b)所示内容；

图4为使用本发明气敏材料制作的气敏元件的灵敏度及响应-恢复性能测试结果；

图5为使用本发明气敏材料制作的气敏元件的选择性测试结果；

图6为使用本发明气敏材料制作的气敏元件的稳定性测试结果。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步地详细介绍，但本发明的保护范围并不局限于此。

实施例1

一种空心花团状WO₃多级结构气敏材料的合成方法，其包括如下步骤：

1）将钨酸钠在80℃水浴加热条件下溶解于去离子水和无水乙醇混合溶液（钨酸钠浓度为0.4mol.L^-1；去离子水和无水乙醇的体积比为1：2）中，然后在搅拌状态下加入多组分结构导向剂，持续搅拌60分钟混合均匀后，放置老化15分钟，获得溶液A；其中，多组分结构导向剂是由质量比为1：1：1.2的聚乙烯吡咯烷酮、乙酸钠和酒石酸铵组成的混合物；

2）向溶液A中加入适量盐酸（6 mol.L^-1）以调整pH值至1－2，超声分散20分钟获得混合溶液B；

3）将混合溶液B转移至高压反应釜中，并于150℃水热合成反应17小时，反应结束后用离心机固液分离，固体产物分别用去离子水、无水乙醇进行洗涤，然后置于干燥箱中80℃干燥2小时即得气敏材料。

所得气敏材料用X-射线粉末衍射仪（XRD）检测其物相结构，采用扫描电子显微镜（SEM）和透射电镜（TEM）测定产品的形貌和尺寸；采用高倍透射电子显微镜（HRTEM）确定晶体的暴露晶面。结果见图1至3。

实施例2

一种空心花团状WO₃多级结构气敏材料的合成方法，其包括如下步骤：

1）将钨酸铵在60℃水浴加热条件下溶解于去离子水和无水乙醇混合溶液（钨酸铵浓度为0.2mol.L^-1；去离子水和无水乙醇的体积比为1：0.8）中，然后在搅拌状态下加入多组分结构导向剂，持续搅拌40分钟混合均匀后，放置老化15分钟，获得溶液A；其中，多组分结构导向剂是由质量比为1：0.6：1.8的聚乙烯吡咯烷酮、乙酸钠和酒石酸铵组成的混合物；

2）向溶液A中加入适量盐酸（6 mol.L^-1）以调整pH值至1－2，超声分散15分钟获得混合溶液B；

3）将混合溶液B转移至高压反应釜中，并于130℃水热合成反应24小时，反应结束后用离心机固液分离，固体产物分别用去离子水、无水乙醇进行洗涤，然后置于干燥箱中80℃干燥2小时即得气敏材料。

应用试验：CO气敏性能测试

将上述实施例1制备得到的空心花团状WO₃多级结构气敏材料制备成CO气敏元件，具体如下：将气敏材料与去离子水按质量比为7：2混合成浆料，再均匀涂在带有金电极的氧化铝陶瓷管上，60－120℃条件下干燥，400－600℃条件下煅烧1－2小时，然后焊接、分装、老化，即得。其中的焊接、分装、老化工艺均按照传统旁热式气敏元件的制备方法进行即可，此为现有技术，故本申请中不再赘述。

下述列举了在80℃条件下干燥、450℃条件下煅烧2小时制作得到的CO气敏元件的性能结果。

1）灵敏度高：气敏元件在270℃工作温度时对10、20、50、100、200 和 300 ppm CO 的灵敏度分别为6.7、12.9、16.6、22.7、32.6和41.9。如图4所示。

2）响应-恢复迅速：气敏元件在300ppm范围内CO气体的响应时间和恢复时间均在 15 s以内。如图4所示。

3）选择性好：相对于CO，该气敏元件对一些常见的气体如甲醛（HCHO），甲烷（CH₄），氢气（H₂）和液化气（LPG）等并不敏感。如图5所示。

4）稳定性好：在60天的持续工作中，气敏元件的灵敏度漂移在0.9%以内。如图6所示。

综上可以看出：本发明空心花团状WO₃多级结构气敏材料集中空结构、多级结构和特定暴露晶面于一体，形貌独特、新颖；并且对CO灵敏度高、响应-恢复迅速、选择性好、循环稳定性突出。