[发明专利]一种铈元素掺杂的三氧化钼纳米条带气敏材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铈元素掺杂的三氧化钼纳米条带气敏材料的制备方法。

背景技术

气体传感器的开发已经成为关系到当今社会人类可持续发展战略实施的重要组成部分，其广泛用于化学、化工、环保、安全生产和日常生活等领域的有毒、有害气体的预报与检测，具有广阔的应用前景，日益成为世界各国共同关注的重要课题之一。

MoO₃作为一种宽禁带半导体材料，表面存在有与待测气体选择性作用的活性位点，因此具有很好的气敏特性。气敏材料在相应温度下对NH₃、H₂、CO、NO₂等气体均表现出一定的气敏性，但是单纯的MoO₃气敏材料对各种气体的响应在灵敏度、选择性、响应速度等方面都不太理想，所以为了提高MoO₃材料的气敏性能，对MoO₃材料纳米化及掺杂改性是当前改善MoO₃气敏材料的重要手段，已成为气体传感器领域的研究热点。例如CN201510972803.8提供一种固相化学反应合成稀土掺杂纳米三氧化钼气敏材料的方法，所述的气敏材料具备产品产率高、环境友好、易于实现大批量生产的特点。采用同本发明所述应用相似的气敏元器件，具有感应灵敏度高、气体选择性好、响应恢复速度快的优点。

数据资料显示，O元素的电负性为3.44个单位。第5周期元素Mo类属VI B族，电负性为2.16个单位，通常认为MoO₃以共价键的形式结合。而第6周期元素Ce类属ΙΙΙ B族，电负性为1.12个单位，以离子键的形式形成CeO₂。同时值得注意的还有，Mo元素的共价半径为1.3 Å，而Ce⁴⁺的离子半径为1.034 Å，所以Ce⁴⁺容易掺入到Mo-O键中去，故在纳米化MoO₃材料掺杂改性方面，Ce⁴⁺应当成为一个不错选择。然而想要直接掺入半导体晶格的间隙中去却没有那么容易，只有当晶体中出现有晶格空位后，杂质原子才有可能进去占据这些空位，从而进入到MoO₃纳米晶体。为了让MoO₃纳米晶体中产生出大量的晶格空位，就要对体系加热，让晶体原子的热运动加剧，以使得某些原子获得足够高的能量而离开晶格位置、留下空位（与此同时也产生出等量的间隙原子，空位和间隙原子统称为热缺陷），也因此原子的扩散系数随着温度的升高而指数式增大，从而达到大离子掺入小离子晶体的目的。这种热扩散技术在半导体掺杂材料领域的应用也引出了本发明所涉及的制备方法。

使用一维纳米材料的气体传感器往往表现出灵敏度高、工作温度低和响应恢复时间短等优点。GALATSIS K等人在<<Comparison of single and binary oxide MoO₃, TiO₂and WO₃ sol-gel gas>>一文中提到，三氧化钼在众多领域特别是气体敏感检测元件、催化材料等方面具有潜在的广泛应用。

由此观之，如果将一维纳米材料的优点和三氧化钼半导体活性位点特点相结合，加之由铈元素掺杂造成晶体缺陷而产生的显著性能提升，制备出一维氧化钼纳米条带，并充分发挥其气敏性能，应用到气体传感器等领域，那么无论是从理论上还是从实际应用上都会产生重要的意义。

发明内容

铈作为地球上丰度最高的稀土元素，开发成本相对较低，同时因其离子半径适当而易于掺入三氧化钼晶格，以提高晶体性能。本发明针对现有技术的不足，提供一种铈元素掺杂的三氧化钼纳米条带气敏材料的制备方法。

铈元素掺杂的三氧化钼纳米条带气敏材料，是以纳米三氧化钼为基体，掺入一定比例的铈元素经液相水热合成法制得的。将固体钼酸铵经高温煅烧，烧焙生成高纯度的α-MoO₃，与固相铈盐按照一定比例混合，加入一定量的过氧化氢，再加入一定量的硝酸，在高温条件下进行液相化学反应，生成固相产物经洗涤、干燥，即可制得横截半径为100nm—150nm的铈元素掺杂的三氧化钼纳米条带。

根据本发明，一种铈元素掺杂的三氧化钼纳米条带气敏材料的制备方法，具体步骤如下：

（1）高温煅烧固体钼酸铵，得到固体α-MoO₃；

（2）烧焙生成的α-MoO₃与铈盐配置出混合溶液，所述金属钼和金属铈摩尔比满足1:X, 0＜X≤0.25；