[发明专利]一维氧化钼纳米棒气敏材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一维纳米金属氧化物制备工艺及气体传感技术领域，具体涉及一维氧化钼纳米棒及其制备方法，以及将其用作半导体气体传感器的敏感材料。

背景技术

n-型半导体金属氧化物由于其优异的电学和磁学性能受到了越来越广泛的关注，尤其是一维纳米结构金属氧化物，近几年由于在气体传感器、场发射和光催化等领域的广泛应用，已引起人们极大的关注。三氧化钼是一种半导体过渡金属氧化物，其禁带宽度高达3.2eV，在室温下其电阻值为10¹⁰Ωcm。由于氧化钼半导体晶体内存在原子或电子缺陷等特殊的晶格结构，使得气体在氧化物表面发生化学吸附，空气中氧气分子通过捕获氧化物导带中的电子形成吸附氧离子（O₂^?, O^?, O^2?），吸附的NO₂分子捕获半导体中的电子，而且与吸附氧离子发生还原反应，如NO₂^? (ads) + O₂^? (ads) + e^? →NO₂^?(ads) + 2O^? (ads)，导致电导减小（电阻增加）。文献已经报道，基于氧化钼或掺杂氧化钼的气体传感器对CO、NO₂、H₂S、O₃和NH₃等许多环境有害气体具有敏感响应。S. Barazzouk等人 (Sensors and Actuators B, vol 119, 2006, 691–694) 发现三氧化钼对NO，NO₂，CH₄等气体具有敏感响应。E. A. Makeeva等人 (Inorganic Materials, vol 41, 2005, 370–377) 证明了掺杂MoO₃的SnO₂比纯纳米SnO₂具有更好的气敏性能。除此以外，氧化钼还具有光致变色以及场发射等性能，在工业合成催化、光催化、场发射和太阳能电池领域有着广泛的应用。

在半导体气体传感器领域，一维纳米三氧化钼由于其大的表面与体积比、单晶的稳定结构及其固有的化学非计量性，其电荷载流子浓度主要决定于化学计量缺陷（如氧空位）的浓度，使其具有优异的表面吸附和气敏性能，被认为是目前检测环境有害气体的新一轮半导体气敏材料，已经成为气体传感器领域的研究热点。然而，尽管氧化锌、氧化锡和氧化铟等低维度半导体氧化物的合成取得了一定的进展，但文献中成功合成低维度氧化钼的方法依然较少，而对于其气敏性能的研究更少。Mohammed H Khan等（US Pat:6468497,2002-10-22）利用升华-骤冷法生产纳米MoO₃，将粒度为24~260μm的工业氧化钼粉末加入升华炉，在1100℃时使氧化钼升华并沉积，再将已升华纳米MoO₃用液氮流进行骤冷操作，得到直径200~500纳米的条状MoO₃, 但合成工艺复杂，功耗大，不利于大规模推广。Greta R Patzke等人（Chem Mater, 2004, 16, 1126–1134）以MoO₃·2H₂O和CH₃COOH为原料，适量去离子水溶解后在180℃下恒温7d，冷却后将产物洗涤烘干，获得直径1μm左右的纳米棒。

可见，在低温的条件下合成出氧化钼的一维纳米结构的气敏材料具有一定的挑战性。本文所采用的超声法制备一维纳米棒氧化钼的技术及其在二氧化氮气体传感器方面的应用尚未见到报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种一维氧化钼纳米棒及其制备方法，并将其用作半导体气体传感器的敏感材料，检测环境中微量二氧化氮气体含量。

氧化钼纳米棒的具体制备方法如下：

在反应容器中，将可溶性钼盐溶于去离子水中，配成浓度为0.10～0.80 mol/L的溶液，置于30～750 W功率的超声波发生器中，在超声条件下加入表面活性剂，表面活性剂的加入量按每升钼盐溶液中加入0.01～0.55 mol的表面活性剂，溶解后将酸溶液缓慢滴加到上述溶液中至pH值为0.50～4.50，继续超声20～150 min，得到沉淀，经20~80℃的去离子水、无水乙醇离心洗涤，将得到的沉淀在40～100℃下干燥4～20 h，得到h型氧化钼粉体。