一种基于超细WO3纳米粒子NO2气体传感器制备方法

一种基于超细wo3纳米粒子no2气体传感器制备方法
技术领域
1.本发明涉及一种no2气体传感器制备方法，特别是涉及一种基于超细wo3纳米粒子no2气体传感器制备方法。


背景技术：

2.随着经济和工业化的发展，越来越多的易燃、易爆或有毒气体（如nh3、h2、co、ch4、no2等）释放到大气环境中，不断破坏环境，严重威胁人们的身体健康甚至生命安全。其中，no2气体作为工业和生活废气中的典型环境污染气体，是形成酸雨、光化学烟雾和雾霾的主要因素，已严重威胁着人类赖以生存的环境和身体健康。此外，人类吸入no2会破坏呼吸道、皮肤、消化道，进而刺激并腐蚀细胞，造成多种呼吸道疾病和细胞中遗传物质的损伤。因此，监测对空气中痕量no2引起了广泛关注。迄今为止，电化学分析、气相色谱-质谱仪、红外/紫外-可见光谱仪等多种技术已用于检测no2，但这些技术由于成本高、检测过程复杂，不便于携带而难以进行no2的现场和实时检测。因此，半导体氧化物气体传感器以其成本低廉、制备简单、现场实时检测等优势，受到了研究人员的广泛关注，成为no2监测的焦点。
3.氧化钨（wo3）是一种典型宽带隙n型半导体氧化物，已广泛应用于催化剂、光调制器件、电致变色器件等各个领域。此外，当其作为气敏材料应用于气体传感器时，对于nh3、h2、co、ch4、no2、乙醇、丙酮等有害气体具有优异气敏性能，但仍存在工作温度高，灵敏度低，选择性差，响应恢复时间长等缺点。敏感材料是影响气敏传感器性能的关键因素，如何开发新型敏感材料，并通过调节微观结构实现高灵敏度、良好选择性和稳定性、快速响应-恢复特性的气体传感器是当前研究的热点。此外，如何避免wo3材料在制作气体传感器过程中的团聚并确保敏感膜的均匀性问题仍然有待解决。尤其是物联网的发展，极大地促进了气体传感器的小型化、智能化和网络化，因此迫切需要开发一种能够直接在器件表面上生长敏感膜而不被破坏且易于操作的方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于超细wo3纳米粒子no2气体传感器制备方法，本发明在真空室中加热钨丝，将 wo
3 纳米粒子沉积在 sio2/si 衬底上，不仅提高了气体传感器的可靠性和稳定性的同时也降低了传感器在实际应用的能耗，其所用设备简单、成本低廉，可以使wo3纳米粒子在基板上原位生长，其在较低工作温度下实现对ppb级no2的检测，并适于大规模工业化生产。
5.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于超细wo3纳米粒子no2气体传感器制备方法，所述方法包括以下制备过程：a.首先制备超细wo3纳米粒子的气体传感器，步骤如下：（1）将线圈状的钨丝安装在真空室中心的两个铜电极之间；（2）将配有叉指型pt电极的sio2/si基板在超声波清洗器中分别使用丙酮、酒精和去离子水清洗，吹干后置于步骤（1）钨丝上方16 cm处；
（3）用真空泵将腔室抽真空至腔室内压力2 pa；（4）引入高纯氧气至腔室，以获得相应压力；（5）调节交流电压，施加70 a的电流对钨丝进行加热，使wo3纳米粒子的沉积在基板上；（6）将步骤（5）得到的覆盖wo3纳米粒子的基板在空气中以400℃煅烧2小时，得到基于超细wo3纳米粒子的气体传感器；b.制备气体传感器用于no2检测，步骤如下：（1）将基于超细wo3纳米粒子的气体传感器置于动态传感测试系统中；（2）引入合成空气，待传感器电阻稳定后，引入no2气体，获得所需的测试浓度；（3）使用数据采集器（agilent 34970a）记录pt电极之间10 v恒定电压下的电流变化，即可。
6.本发明的优点与效果是：（1）本发明通过在真空室中加热钨丝，将wo3纳米粒子原位沉积在配有叉指型pt电极的sio2/si基板上，有效防止在制作传感器过程中材料形貌特征的损坏，提高了气体传感器的可靠性和稳定性。整个制作工艺简单，成本低廉，纳米颗粒均匀，无任何化学试剂，无毒，是一种绿色环保制备超细wo3纳米粒子的新技术，适合工业上进行批量生产（2）本发明制得的基于wo3纳米粒子气体传感器，在100℃的工作温度下对ppb级no2气体表现出超高的响应特性、优异的稳定性和选择性，在检测空气中痕量的no2气体方面具有广阔的应用前景。
7.（3）本发明制得的基于wo3纳米粒子气体传感器，器件工艺简单、体积小，成本低廉且易于操作，适用于工业化大批量生产。
附图说明
8.图1为本发明产物的xrd谱图；图2(a)为本发明实施例1制备的产物的扫描电镜图片和粒径分布图；图2(b)为本发明实施例2制备的产物的扫描电镜图片和粒径分布图；图2(c)为本发明实施例3制备的产物的扫描电镜图片和粒径分布图；图2(d)为本发明实施例4制备的产物的扫描电镜图片和粒径分布图；图3为本发明气体传感器的制备及结构示意图；图4(a)为本发明实施例1制备的wo3纳米粒子气体传感器在100℃下对不同浓度no2气体的动态响应曲线图；图4(b)为本发明实施例1制备的wo3纳米粒子气体传感器在在100℃的no2气体浓度-灵敏度特性曲线；图4(c)为本发明实施例1制备的wo3纳米粒子气体传感器在100℃下对100 ppb的5种不同气体的灵敏度对比图；图4(d)为本发明实施例1制备的wo3纳米粒子气体传感器在100℃时在no2气体中灵敏度的长期稳定性曲线。
具体实施方式
9.下面结合附图所示实施例对本发明作进一步说明。
10.本发明通过在真空室中加热钨丝，将wo3纳米粒子成功地沉积在配有叉指型pt电极的sio2/si衬底上。所制备的wo3纳米粒子呈球形结构，通过改变真空室内的沉积压力可以改变纳米粒子的粒径。所制备的wo3纳米粒子均匀分散在基板表面，厚度在10 μm以上。由于小尺寸的wo3纳米粒子具有良好的分散性，wo3纳米粒子气体传感器对no2气体在较低工作温度下表现出较高灵敏度、良好的选择性以及长期稳定性。
11.wo3纳米粒子气体传感器制备方法，包括以下步骤：步骤一：将线圈状的钨丝安装在真空室中心的两个铜电极之间；步骤二：将配有叉指型pt电极的sio2/si基板在超声波清洗器中分别使用丙酮、酒精和去离子水清洗，吹干后置于步骤一钨丝上方16 cm处；步骤三：用真空泵将腔室抽真空至腔室内压力约2 pa；步骤四：引入高纯氧气至腔室，以获得相应压力；步骤五：调节交流电压，施加约70 a的电流对钨丝进行加热，使wo3纳米粒子的沉积在基板上；步骤六：将步骤五得到的覆盖wo3纳米粒子的基板在空气中以400℃煅烧2小时，得到基于超细wo3纳米粒子的气体传感器。
12.实施例1（1）制备基于wo3纳米粒子气体传感器步骤一：将线圈状的钨丝安装在真空室中心的两个铜电极之间；步骤二：将配有叉指型pt电极的sio2/si基板在超声波清洗器中分别使用丙酮、酒精和去离子水清洗，吹干后置于步骤一钨丝上方16 cm处；步骤三：用真空泵将腔室抽真空至腔室内压力约2 pa；步骤四：引入高纯氧气至腔室，使腔室内压力升至500 pa；步骤五：调节交流电压，施加约70 a的电流对钨丝进行加热，使wo3纳米粒子的沉积在基板上；步骤六：将步骤五得到的覆盖wo3纳米粒子的基板在空气中以400℃煅烧2小时，得到基于超细wo3纳米粒子的气体传感器。
13.（2）wo3纳米粒子的结构表征采用xrd粉末衍射仪（xrd, shimadzu xrd-6100）对产物晶体结构进行表征。图1为产物的xrd谱图，由于wo3的粒径较小，从图中可以看出wo3产物的衍射峰较为微弱。没有其他杂峰出现，表明其纯度高。衍射峰与标准pdf卡片中no.43-1035一致，说明该样品为wo3。
14.采用扫描电镜（fesem, jeol jsm-6700f）对产物形貌进行表征。如图2(a)所示，wo3纳米粒子大量均匀分散在基板表面，厚度在10 μm以上。产物呈现球形纳米粒子结构，粒径在4-18 nm范围内。
15.实施例2（1）制备基于wo3纳米粒子气体传感器步骤五：引入高纯氧气至腔室，使腔室内压力升至800 pa；步骤一、二、三、四、六、七同实施例1。
16.（2）wo3纳米粒子的结构表征采用xrd粉末衍射仪（xrd, shimadzu xrd-6100）对产物晶体结构进行表征。图1为产物的xrd谱图，从图中可以看出wo3产物的衍射峰与标准pdf卡片相一致，且衍射峰强度变强，说明粒径增大。其中没有其他杂峰出现，表明其纯度高。
17.采用扫描电镜（fesem, jeol jsm-6700f）对产物形貌进行表征。如图2(b)所示，产物仍然呈现球形纳米粒子结构，粒径增大到10-45 nm。基板表面材料的厚度在10 μm以上。
18.实施例3（1）制备基于wo3纳米粒子气体传感器步骤五：引入高纯氧气至腔室，使腔室内压力升至1500 pa；步骤一、二、三、四、六、七同实施例1。
19.（2）wo3纳米粒子的结构表征采用xrd粉末衍射仪（xrd, shimadzu xrd-6100）对产物晶体结构进行表征。图1为产物的xrd谱图，从图中可以看出wo3产物的衍射峰变强变尖，没有其他杂峰出现，表明其纯度高、结晶度好。
20.采用扫描电镜（fesem, jeol jsm-6700f）对产物形貌进行表征。如图2(c)所示，wo3产物的粒径分布范围较大，在10-450 nm范围内，并有少许堆叠。基板表面材料的厚度在10 μm以上。
21.实施例4（1）制备基于wo3纳米粒子气体传感器步骤五：引入高纯氧气至腔室，使腔室内压力升至3000 pa；步骤一、二、三、四、六、七同实施例1。
22.（2）wo3纳米粒子的结构表征采用xrd粉末衍射仪（xrd, shimadzu xrd-6100）对产物晶体结构进行表征。图1为产物的xrd谱图，从图中可以看出wo3产物的衍射峰变强变尖，没有杂峰出现，wo3纯度高，结晶度好。
23.采用扫描电镜（fesem, jeol jsm-6700f）对产物形貌进行表征。如图2(d)所示，wo3产物的粒径分布在10-800 nm范围内，小粒径与大粒径的粒子同时存在，纳米粒子间有少许堆叠。基板表面材料的厚度在10 μm以上。
24.以制得的基于wo3纳米粒子气体传感器，对no2气体进行了相关的气敏性能测试：基于wo3纳米粒子气体传感器是通过在真空室中通过加热钨丝，直接沉积在配有叉指pt电极的sio2/si基板制备，如图3所示。
25.图4(a)是为实施例1制备的基于wo3纳米粒子气体传感器在100℃下对不同浓度no2气体的动态响应曲线。从图中可以看出，随着no2浓度从30 ppb增加到1 ppm，电阻逐渐增大，而去除no2后可以恢复到原来的状态，表明其具有良好的循环稳定性。图4(b)为实施例1制备的基于wo3纳米粒子气体传感器在100℃下的no2气体浓度-灵敏度特性曲线，可以看出，响应值随着 no
2 浓度的增加而增加。当no
2 浓度低至30 ppb时，其响应值可达8.3，表明其可检测空气中痕量的no2。图4(c)为实施例1制备的基于wo3纳米粒子气体传感器在100℃下对100 ppb的5种不同气体的灵敏度对比图。结果表明，对100 ppb no2的响应高于对浓度为10 ppm的其他气体（h2、h2s、co和nh3）的响应，这表明传感器具有优异的选择性。图4(d)为实
施例1制备的基于wo3纳米粒子气体传感器的长期稳定性曲线，可以清楚地看到，在检测周期内，响应几乎没有明显变化，表明传感器具有良好的长期稳定性。