[发明专利]三维空心多级结构氧化铟基气敏材料的制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明属于半导体氧化物气体敏感材料的制备和气敏应用，涉及纳米材料的制备与应用领域。

背景技术

氧化铟(In₂O₃)是一种重要的n型半导体材料，具有较大的禁带宽度(3.55～3.75eV)，具有独特的电学、化学和光学性质，可以用于太阳能电池、透明导体、平板显示器、紫外可见激光器、探测器和气体传感器等，具有广泛的应用。

氧化铟由于其较小的电阻率和较高的催化活性，其电导率对外部环境非常敏感，适合作为高灵敏度气体传感器。氧化铟作为气体传感器的原理是被测气体的吸附和表面反应过程引起的电导率的变化，通过检测电学信号，可以衡量材料的气敏性能。由于涉及吸附和表面反应，因此增大气敏材料的比表面积和降低材料的组合密度是提高材料气敏性能的一个重要途径。

近年来，氧化铟基气敏特性研究已经引起人们极大关注并取得很多重要研究成果，但是大部分氧化铟基气敏材料的形貌以纳米颗粒和纳米线为主，其制备方法多为气相沉积或有机液相合成技术，受制于过程复杂，产物产量低等缺点，不利于实际工业生产。现有的氧化铟基气敏材料目前主要研究NO₂、NH₃、H₂S、CH₄、H₂、C₂H₅OH、O₃等气体的敏感性能，而对除醇类以外其他挥发性有机物如丙酮、甲苯敏感性研究较少。丙酮虽然毒性较小，但是在温度高于-20℃(闪点)，与空气体积比为2.5％～13％环境下极易爆燃，危险性极大；而甲苯毒性大，低浓度吸入人体易造成眩晕，头痛和意识模糊等，长期吸入则造成神经衰弱并影响生育，对人体健康和生命安全造成极大危害，因此发展检测此类挥发性有机物的气敏材料极为重要。

美国《先进材料》(Adv.Mater.2007，19，1641-1645)报道了用纳米碳管做模板，通过多次浸润，经550℃煅烧3小时，制备出氧化铟纳米管并用于气敏传感，对5ppm的H₂S气体的灵敏度达200以上；美国化学会《物理化学，C辑》(J.Phys.Chem.C，2010，114，4887-4894)报道了用水热法合成的In₂S₃层片自组装花状微球前驱体，在空气下550℃煅烧2h，得到In₂O₃的花状微球。气敏测试结果得出，50ppm下甲醇灵敏度高达25，但是甲醛灵敏度较低(约为4)，而甲苯几乎没有响应；瑞士《传感器及执行机构，B辑：化学传感器》(Sensors and Actuators B 155(2011)752-758)报道了利用铟的乙酰丙酮化合物(In(acac)₃)，乙二醇，十二烷基硫酸钠(表面活性剂)为原料采用水热法合成出前驱体，经350℃煅烧3h，获得氧化铟多孔纳米片，用于气敏测试气敏结构显示，该多孔纳米片对甲醇、丙醇、正丁醇、甲醛以及丙酮有很高的灵敏度，但是对于甲苯50ppm下灵敏度只有约3.5。以上制备的方法原料成本高，过程复杂，虽然有很好的气敏性能，但是不适合大量制备。

发明内容

本发明的目的提供一种三维空心多级结构氧化铟基气敏材料的制备方法。该材料由水热法制备而成，形貌氧化铟纳米片自组装花状空心多级结构，纳米片厚度20～50nm，空心花状结构尺寸为0.5～3μm。该材料的比表面积大，气体透过性好，适合作为气敏材料应用。

本发明采取以下技术方案如下：

一种三维空心多级结构氧化铟基气敏材料的制备方法，其特点在于该方法包括如下步骤：

①取铟盐溶液和丙三醇，放入反应釜的聚四氟乙烯内胆中搅拌形成均匀混合溶液，并在搅拌过程中滴加铟离子配体乙二胺，继续搅拌，最后加入表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵，再次搅拌均匀后，将内胆密封放入不锈钢反应釜中，在140～220℃反应6～24小时；所得产物经去离子水、乙醇反复清洗，经离心干燥，得到花状空心多级结构氧化铟的前驱体，所述的铟盐溶液的铟离子浓度为0.1～0.6mol/L，所述的无机铟盐溶液和丙三醇的体积比为2∶17，所述的乙二胺与所述的铟离子的摩尔比为10∶1～30∶1；

②将所述的氧化铟前驱体在260℃以上的温条件下煅烧30分钟以上，得到三维花状空心多级结构氧化铟基气敏材料的粉末。