[发明专利]一种针对低浓度NO2气体的新型In2O3/Sb2O3复合空心纳米管气敏材料

说明书

本发明公开了一种针对低浓度NO₂具有优异气敏性能的新型In₂O₃/Sb₂O₃复合空心纳米管气敏材料、气敏元件及其制作方法与应用。所述新型In₂O₃/Sb₂O₃复合半导体气敏材料是由基体相和修饰相按一定摩尔比所构成，所述的基体为多孔结构的In₂O₃空心纳米管，基体表面及多孔结构孔道内分布有修饰相，所述的修饰相为Sb₂O₃。本发明还提供复合结构半导体气敏材料的制备方法、气敏元件的制作方法及其气敏性能。本发明的新型In₂O₃/Sb₂O₃复合空心纳米管气敏材料对低浓度NO₂气体具有高的灵敏度和选择性、低工作温度以及响应和恢复时间快等特点。本发明的制备方法简单，工艺参数易控制，操作容易且成本低。

技术领域

本发明涉及一种新型复合结构的半导体气敏材料，特别涉及一种针对低浓度NO₂气体的氧化铟/三氧化二锑复合纳米空心管气敏材料，属于气敏材料技术领域。

背景技术

随着科学技术的日益发展，人民生活水平不断提高，工业废气和生活废气(如NO₂、SO₂、 H₂S、CO等)的排放量也日渐增多，人们所面临的环境污染(如雾霾、酸雨、温室效应等)的问题也日益严重。因此，有效监控管理污染气体的排放成为目前必不可少的治理手段。由气体敏感材料引领的气体检测技术受到世界范围的高度重视。NO₂气体作为工业废气和生活废气中的典型污染气体，具有较高的化学活性和较强的腐蚀性，并能与空气中的水分或碳氢化合物发生反应，是形成酸雨、光化学烟雾和雾霾等二次污染物的主要来源，严重威胁着人们的身体健康和所居住的生活环境。据美国政府工业卫生协会(ACGIH)和职业安全与健康管理局(US)的数据显示，人们允许暴露在NO₂气体中的阈限值为3ppm，其中在1ppm的NO₂气体中暴露的时间不超过15min。因此，设计出具有高灵敏度、选择性的气敏传感材料对检测低浓度NO₂气体具有重要意义。

In₂O₃作为典型的N型半导体材料，已经广泛地用于NO₂气体的检测。然而，大量研究表明通常纯的金属氧化物气敏材料对NO₂气体的选择性差，检测浓度有限并且检测时易受其它气体的干扰。同时，其工作所需的温度过高，通常达到几百摄氏度，对仪器设备的功率要求极高。除此之外，存在对低浓度NO₂气体的响应值低，灵敏度较弱，响应及恢复能力不足，时间长等劣势。目前，为了改善In₂O₃气敏材料对低浓度NO₂气体的检测性能，通常选用贵金属催化剂(如Au、Ag、Pt等)来促进NO₂在氧化铟材料表面的电子交换，提高其对NO₂气体的灵敏度。然而贵金属的使用虽然提高了其气敏性能，但是较高的生产成本限制了氧化铟材料的实际应用。金属氧化物半导体材料由于其独特的电子结构，使其在与氧化铟复合后，由于两者功函数不同，在复合材料两相界面处形成了异质结构。在材料气敏性能测试过程中，异质结构的存在为电子迁移提供了潜在的能量势垒，增大了气体接触前后的材料电阻变化，进而增大了其对气体的灵敏度。因此，金属氧化物半导体材料作为潜在的修饰相用来提高纯氧化铟的气敏性能，降低生产成本，扩大其应用范围具有十分重要的意义。但是，选用一种合适的金属氧化物来提高纯氧化铟对低浓度NO₂气体的性能十分关键。