[发明专利]基于等价Sn2+间隙掺杂的NiO纳米花状微球的二甲苯气体传感器及其制备方法

说明书

一种基于等价Sn²⁺间隙掺杂的NiO纳米花状微球的二甲苯气体传感器及其制备方法，属于半导体氧化物气体传感器技术领域。其带有2个环形金电极的Al₂O₃绝缘陶瓷管、涂敷在环形金电极和Al₂O₃绝缘陶瓷管上的半导体敏感材料、以及穿过Al₂O₃绝缘陶瓷管的镍铬合金线圈组成；半导体敏感材料为等价Sn²⁺间隙掺杂的NiO纳米花状微球。本发明利用等价金属离子(Sn²⁺)间隙位掺杂的方法对P型NiO半导体敏感材料进行改性，实现了气敏特性的极大飞跃。传感器对二甲苯表现出可靠的选择性和卓越的灵敏度(25.2～200ppm)以及较低的检测下限(0.5ppm)，此外还表现出较好的抗湿性，在检测微环境中二甲苯污染物方面有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于半导体氧化物气体传感器技术领域，具体涉及一种基于等价Sn²⁺间隙掺杂的NiO纳米花状微球敏感材料的二甲苯气体传感器及其制备方法。

背景技术

随着社会的发展进步，人们在工业、能源、交通、通信及医疗等诸多领域取得了显著的提高，但却蕴含着环境污染的巨大隐患，由此引发的环境污染问题也越来越严重。除此之外，微环境空间(商场、家庭、办公室、教室、车内等)也存在许多污染物，比如甲苯、甲醛、二甲苯等VOCs气体，这些气体主要来源于家装涂料、家具油漆、汽车喷漆、皮革制品、汽油挥发、粘合制剂等，直接吸入会产生许多危害。综上可见，空气质量的监测评估以及空气中污染物的检测尤为重要，切实影响到人们的健康和国家的发展。而在种类众多的气体传感器中，以半导体氧化物为敏感材料的电阻型气体传感器具有灵敏度高、检测下限低、选择性好、响应和恢复速度快、制作方法简单、成本较低等优点，是目前应用最广泛的气体传感器之一，也一直是气体传感领域的研究热点。

对NiO纳米敏感材料传感性能的研究表明，虽然与某些N型金属氧化物半导体相比，其灵敏度相对较低，然而NiO在对挥发性有机化合物(VOC)的氧化方面具有优秀的催化氧化活性且有较好的抗湿性，这使得NiO敏感材料的改性研究别具特色。而对于半导体敏感材料的改性手段主要有以下三种：贵金属担载、异价金属离子掺杂以及形成复合材料，其中，对于氧化镍来说，异价金属离子掺杂改性手段比较常见，即将非+2价的金属阳离子掺入到NiO晶格中并占Ni²⁺位置，同时引入了杂质能级。这种掺杂会改变晶体结构、晶粒尺寸、载流子浓度和氧组分分布，从而改善NiO基气体传感器的传感性能。

而在本专利中采用等价金属离子间隙位掺杂方法对NiO纳米敏感材料进行改性增感，即将+2价的Sn²⁺离子掺入到氧化镍晶格中并占据晶格间隙位置，通过调控由这种掺杂引入的各种缺陷以及晶格结构变化等因素显著地提高了氧化镍基气体传感器对二甲苯的气敏性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于等价Sn²⁺间隙掺杂的NiO纳米花状微球敏感材料的二甲苯气体传感器及其制备方法。

利用等价Sn²⁺离子掺杂NiO分等级结构纳米花状微球作为敏感材料，一方面未掺杂NiO纳米花状微球具有较强的氧化性，且对多种VOC气体都具有较好的催化氧化活性，可以引起更多的氧分子参与反应；而且，通过对NiO的等价金属离子(Sn²⁺)间隙位掺杂改性，极大地提高了NiO的分等级纳米结构的比表面积，使得吸附氧能力增强；此外，由于等价金属离子掺杂技术在载流子浓度和吸附氧组分方面的调控作用，使得NiO材料中载流子空穴浓度降低，缺陷氧和化学吸附氧组分增加，导致敏感材料的电阻变化更加显著；最后，由于Sn²⁺间隙位掺杂引起的较大程度的晶格畸变以由此及引入的多种缺陷这几方面的共同作用大幅提高了气体与敏感材料的反应效率，进而提高了氧化镍传感器的二甲苯气敏特性。本发明所采用的市售的管式结构传感器制作工艺简单，体积小，利于工业上批量生产，因此具有重要的应用价值。