[发明专利]有序排列In2O3纳米纤维及用于制备超快响应酒精传感器

说明书

技术领域

本发明属于半导体气体传感器技术领域，具体涉及一种有序排列的In₂O₃纳米纤维及在用于制备超快响应酒精半导体传感器方面的应用。

背景技术

目前市售的酒精半导体传感器采用的是传统的SnO₂、ZnO、Fe₂O₃、TiO₂、WO₃纳米粒子为敏感材料，由于粒子之间团簇作用使得材料的比表面积变小，所以纳米粒子材料传感器普遍存在响应恢复时间长的缺点。

微米和纳米技术最新发展已经提供了新材料的平台，很多注意力都集中在一维结构纳米材料的合成和应用，如纳米棒，纳米线，纳米管，纳米带。特别是近年来的准一维(1D)金属氧化物纳米结构已被发现很多的应用，与那些常规的金属氧化物气体检测材料相比许多传感特性是较大幅度提高，因为一维半导体金属氧化物纳米结构的高比表面积和特殊的几何结构使它们成为高灵敏度、高效率的敏感材料。静电纺丝技术由于它的多功能性，成本低已成为探索各种各样的纳米纤维潜在的应用的手段和方法。大量的金属氧化物纳米纤维利用这种方法被合成，并且应用到各种气体的检测中。目前文献报道中仅是对分布散乱的纳米纤维网络的气敏特性进行探讨，这种分布散乱的纳米纤维在应用中电子的传输会受到节点处势垒的影响，目前没有人对这种不足做出合理的改进。一些单根金属氧化物纳米线气体传感器屡有报道，由于单根纳米线极易折断，因此传感器的长期稳定性几乎谈不上，还仅是作为一种概念器件。一些纳米纤维被认为更适合于高重复性和高产量传感器的应用。

有序排列的金属氧化物纳米纤维有望克服上述问题。近年来，有一些研究者利用改进的静电纺丝装置和接收极板的电极形状获得了有序排布非常好的纳米纤维。但遗憾的是，这些定向纳米纤维的研究多数只是停留在合成了有机纳米纤维材料阶段。有序金属氧化物纳米纤维其在气体传感器领域的应用一直没有相关的报道。本发明中，利用磁场诱导的静电纺丝方法制备有序排列的金属氧化物In₂O₃纳米纤维材料。用这种材料研制的气体传感器对酒精气体具有超快的响应恢复特性，解决了传统市售酒敏传感器响应恢复时间长的缺点，有望成为非常有发展前景的酒敏传感器。

发明内容

本发明的目的在于克服传统静电纺丝纤维无序的缺点，提供一种经磁场诱导静电纺丝技术制备的有序排列的In₂O₃纳米纤维，并利用这种有序排列的In₂O₃纳米纤维制作灵敏度高、可逆性和重复性好、响应恢复时间迅速的酒敏传感器。这在新型低维纳米材料的制备和气体传感器应用领域具有十分重要的价值和现实意义。

本发明所述的In₂O₃纳米纤维，其由如下方法制备：

(1)将硝酸铟In(NO₃)₃溶于10～20ml的二甲基甲酰胺溶剂里，在常温下磁力搅拌10～30min，形成浓度为0.1～0.2g/ml无色透明的溶液；

(2)向步骤(1)制得的溶液里加入高分子材料聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，使聚乙烯吡咯烷酮与硝酸铟的摩尔比为1∶1～3∶1，搅拌10～15h，形成无色透明的In(NO₃)₃/PVP复合纤维的前驱液溶胶；

(3)将步骤(2)获得的In(NO₃)₃/PVP复合纤维的前驱液溶胶放入静电纺丝设备的喷丝管中，以铜丝为阳极，以在铝箔板前面平行设置的一对永磁体为阴极收集板，磁场强度为50～250mT，永磁体平面垂直于喷丝的方向，复合纤维直接喷到永磁体上，两条永磁体之间的距离为2～4cm，喷丝管头与收集板之间的距离为15～20cm，施加的静电纺丝电压为8～30kV，经过36～48h的纺丝后，在阴极收集板上获得In(NO₃)₃/PVP复合纤维膜，将复合纤维膜在500～700℃烧结2～5h除去高分子模板，即得到直径为80～90nm的有序排列的In₂O₃纳米纤维。前面所述的有序排列的In₂O₃纳米纤维可用于制备酒敏传感器，制作过程如下：