[发明专利]一种氧化钨纳米线及氧化钨纳米线气敏传感器的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种六方相氧化钨(WO3)纳米线宽范围水热制备法和气敏应用，属于一维纳米氧化物材料的制备及气敏技术领域。

背景技术

在诸多金属氧化物中，氧化钨是一种过渡金属氧化物，属于n型半导体，其用途十分广泛。目前，大量的研究发现钨基氧化物除了作为催化、电致变色、太阳能吸收材料和隐形材料之外，还具有热敏、压敏和气敏等半导体功能材料的特性。氧化钨纳米晶膜在气敏传感器、光催化、光电导等方面的应用和研究正越来越多的引起人们的高度重视，尤其是在氧化物半导体气敏传感器应用领域，氧化钨已被认为是检测NOx、SOx、NH3、H2S等最有前景的新型氧化物气敏材料之一。

自从S.Iijima于1991年发现碳纳米管以来，由于材料维度的降低和结构特征尺寸的减少，与传统的材料相比，一维纳米材料呈现出更加新颍的电、磁、光、热等物理和化学特性，并在快速发展的高科技领域展现出越来越多潜在的应用价值和广阔的应用前景。其中，氧化钨纳米线与传统的氧化钨材料相比具有更大的比表面积，其在气敏传感器、电致发光、光致发光、电导电极及光催化等方面均具有广泛的应用前景。特别是在氧化物半导体气敏传感器应用领域，氧化钨纳米线除了具有大的比表面积外，还具有更大的表面活性和更强的吸附能力，加快了与气体的反应，从而大大提高了灵敏度并进一步降低了传感器的工作温度。

目前，氧化钨纳米线的制备技术还存在工艺复杂、能耗大、不易大规模推广等诸多问题。例如，Andrea Ponzoni等人(Andrea Ponzoni et al.Applied Physics Letters，88：203101-1～203101-3，2006)在1400～1450℃时通过蒸发钨粉制备了WO3-X纳米线网络结构，该纳米线网络结构由直径为几十纳米到200nm的纳米线构成，但是在制备过程中必须严格控制温度、压力、蒸发时间等参数，而且整个反应在真空腔室中进行并通入一定流速的氩气，制备温度高达1400～1450℃，这在很大程度上增加了能源消耗，不易实现大规模生产。同时，目前国内外对大多数氧化钨基气敏材料的应用研究主要集中在由大晶粒尺寸组成的多晶膜的研究上，由于受表面结构和晶粒尺寸的限制，由氧化钨基气敏材料所制备的传感器其灵敏度和选择性不够理想，只有提高测试温度或通过掺杂其它材料时才能获得高灵敏度和可重复性。仅有极少数报道涉及到氧化钨纳米线气敏材料的应用研究，而这些研究多数都还停留在实验室研究阶段，并且都不同程度的存在以下不足：氧化钨纳米线的制备工艺非常复杂；原材料价格昂贵；前驱体需高温处理；后期成膜周期长；获得敏感性能好且气敏性能稳定的敏感膜非常困难。本发明在克服了上述不足的前提下采用水热法在较宽范围内成功制备了比表面积大，热稳定性高的六方相氧化钨纳米线，并以将该纳米线应用于气敏传感器领域，结果表明：该氧化钨纳米线气敏材料对低浓度(1～100ppm)H2、CO和NH3具有很高的灵敏度、优良的重复性和很好的稳定性等优点。

发明内容

针对目前氧化钨纳米线的制备及其在气敏应用领域中存在的问题，本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种通过简易的水热法，在宽范围内大规模制备氧化钨纳米线气敏材料的方法，并继而提供一种对H₂、CO和NH₃具有高灵敏度、重复性能好、稳定性高的氧化钨纳米线传感器的制备方法，这在气敏材料制备和气敏传感器应用领域具有十分重要的价值和现实意义。本发明制备的氧化钨纳米线气敏材料为六方相结构，并具有大的比表面积，该纳米线可在较宽的范围内通过水热法成功制备，并且该纳米线在气敏应用领域内对H₂、CO和NH₃具有高灵敏度、重复性能好、稳定性高等诸多优点。

一、氧化钨纳米线制备：

(1)将适量钨酸钠溶于一定量的去离子水中，配制成重量比为1.5～8.0％的钨酸钠溶液，在冰水浴中磁力搅拌1小时，形成无色透明的钨酸钠溶液；

(2)向(1)中的溶液中缓慢滴加适量3M/L的盐酸并不断搅拌1.5小时形成淡黄色胶束溶液，将该胶束溶液以4000转/分钟的速度离心分离20分钟；

(3)将(2)中离心分离后的产物均匀分散到适量11.5M/L的硫酸钾溶液中形成混合溶液，将80毫升该混合溶液转入100毫升反应釜中进行水热反应，反应温度为180～270℃，反应时间为12～120小时。