[发明专利]一种WO3纳米晶的制备方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种WO₃纳米晶材料的制备方法，所制备的WO₃纳米晶材料可应用于低浓度丙酮的探测器件，特别是能够应用于对糖尿病人通过呼吸方式的诊断器件。

背景技术：

丙酮，也称作二甲基酮，饱和脂肪酮系列中最简单的酮。熔点-95度，沸点56度，它是一种无色、有特殊气味的、易挥发易燃的液体。丙酮蒸汽与空气混合可形成爆炸性混合物，爆炸极限2.55％～12.8％(体积)。虽然丙酮对人体没有特殊的毒性，但是吸入后可引起头痛，支气管炎等症状，如果大量吸入，还可能失去意识。丙酮作为最普遍的有机溶剂之一，被广泛应用于日常生活和工业生产中，因此对丙酮的使用中要注意安全防范，而对使用环境中丙酮的监测是一个重要的工作。近几年，广泛的研究已经证实丙酮气体可以作为糖尿病人的诊断指标，因为糖尿病人的身体不能正常从葡萄糖获得能量，就开始分解脂肪，而丙酮就是脂肪分解的酮酸类副产物。研究发现正常人所呼出的气体中丙酮含量小于0.9ppm，而对于糖尿病人的呼气中它将高于1.8ppm，因此通过呼吸方法可以对该病进行无痛诊断。但是对于如此低浓度丙酮气体的高灵敏度的准确探测是一个难题。

WO₃是一中n型间接带隙半导体材料，研究发现它可以作为致色材料，催化材料和气敏材料等。已有大量的研究报道了WO₃是一种对乙醇、硫化氢、氨气、二氧化氮、氢气等多种气体具有很好的探测性能。而很少有报道WO₃对低浓度丙酮的探测，特别是0.9-1.8ppm的低浓度丙酮条件。2008年，瑞士科学家P.I.Gouma等人在Chem.Mater杂志上首次报道了通过火焰喷雾法制备了掺Cr的WO₃纳米颗粒，所制备的薄膜型半导体器件发现其对低浓度的丙酮有很好的探测性能。但是火焰喷雾法即需要复杂的、昂贵的喷雾和火焰控制设备，又很难进行大规模的生产。因此，探索其它新的方法合成具有相同性能的WO₃纳米材料是一个仍需解决的问题。

发明内容：

基于上述研究背景，本发明的目的在于提供一种能够探测超低浓度丙酮气体的WO₃纳米晶的合成方法，特别是为采用呼吸方法诊断糖尿病提供一种新材料。这种方法成本低廉、无毒、操作简单安全，且能够批量化生产。

本发明的主要技术方案是：首先利用过氧化钨酸技术制备多聚过氧化钨酸溶液，添加非离子表面活性剂，通过回流等方法，制备WO₃基复合溶胶，最后将复合溶胶直接高温煅烧，制备稳定的WO₃纳米颗粒材料。其具体的步骤如下：

(1)多聚过氧化钨酸前躯体的制备：

将钨粉或WO₃粉末与30％过氧化氢溶液以[W]∶[H₂O₂]＝1∶5～1∶10的摩尔比进行反应制备多聚过氧化钨酸溶液；

(2)添加表面活性剂的多聚过氧化钨酸复合溶胶的制备：

将聚氧乙烯-聚氧丙烯共聚物类的非离子表面活性剂P123、F127或PVP等溶解到无水乙醇中，使其与步骤1所制备的多聚过氧化钨酸溶液按照[W⁶⁺]∶[表面活性剂]＝30∶1～10∶1摩尔比进行混合，并通过搅拌和80～100℃回流作用1～3小时，最后制得WO₃基复合溶胶；

(3)WO₃纳米晶的制备：

将复合后的多聚过氧化钨酸溶胶倒入Al₂O₃坩埚中，放入马弗炉中经450-600℃的退火煅烧处理2-8小时，完全烧去有机物，最后制得WO₃纳米颗粒；

通过研究发现，所制备的WO₃纳米晶具有很高的晶化质量和很好的分散性。将上述方法所制备的WO₃纳米晶作为敏感材料，研究发现其对低浓度的丙酮气体有非常好的探测性能。主要表现为，该WO₃纳米晶材料能够探测达到0.05ppm低浓度的丙酮气体，而且具有快速的气敏响应性能和恢复性能，以及很好循环稳定性能；通过计算证实，在0.05-2ppm之间丙酮气体的浓度和材料对其的敏感度值之间呈现近线性关系，对0.9ppm和1.8ppm丙酮的敏感度之间有近40％的差值变化，因此可以通过基于该法所制备的WO₃纳米晶气体传感器诊断区别糖尿病人和正常人。