[发明专利]基于Ga掺杂三维反蛋白石结构In2O3纳米敏感材料的甲醛气体传感器及其制备方法

说明书

一种基于Ga掺杂三维反蛋白石结构In₂O₃纳米敏感材料的甲醛气体传感器及其制备方法，属于气体传感器技术领域。由外表面带有两条平行、环状且彼此分立的金电极的Al₂O₃陶瓷管衬底、涂覆在陶瓷管外表面和金电极上的Ga掺杂三维反蛋白石结构In₂O₃纳米敏感材料、穿过Al₂O₃陶瓷管衬底内部的镍铬合金加热线圈组成。该传感器对100ppm甲醛的灵敏度高达48.8，检测下限可达到0.05ppm，具有良好的选择性和长期稳定性。因此，本发明所述传感器在室内污染物甲醛气体检测领域有广阔的应用前景。

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Ga掺杂三维反蛋白石结构In₂O₃纳米敏感材料的高灵敏甲醛气体传感器及其制备方法。

背景技术

近年来，随着人们生活水平逐渐提高，人们对生活品质的要求也越来越高。现在人们装修更多的追求是家装品味与设计，但是，在新房装修过程中少不了用到胶合板、胶水、内墙涂料、墙纸、石灰、粘合剂、泡沫塑料、油漆等装修材料，这些装修材料中都含有甲醛，而且，质量越差所含甲醛等有害物质就越多。除此之外，业主购买的板材家具、床垫、窗帘都含有甲醛，这些物品所含的甲醛积少成多，装修后室内就容易出现甲醛超标现象，中国人民共和国国家标准《居室空气中甲醛的卫生标准》规定：居室空气中甲醛的最高容许浓度为0.08mg/cm³。统计结果分析表明，人的一生中至少有70-90％的时间是在室内度过的，因此室内环境的质量与人的身体健康有着密不可分的联系。而且，现代建筑物具有较好的密闭性，由此带来室内通风率的不足，从而导致从各种装修材料中以及部分生活物品中释放出的甲醛污染物无法得到充分的排放。大量甲醛污染物长期滞留在室内，使得室内污染物浓度很高，严重时可能会超过室内的几十倍。综上所述，我们需要一款超高灵敏度的气体传感器对室内装修污染物甲醛进行实时监测，从而为室内甲醛治理提供更加可靠的数据指标。因此，作为气体传感器一个重要分支的半导体式气体传感器，由于其具有价格低、全固态、选择性可调、体积小、可集成化等优点而逐渐进入了人们的视野中。虽然在半导体氧化物气体传感器的研究上已经获得了很大的进步，但是为了满足其在低浓度室内装修污染物甲醛检测领域的使用要求，仍需进一步提高传感器的灵敏度、选择性和稳定性，以及降低气体传感器的检测下限。

半导体氧化物气体传感器的气敏特性主要由气体敏感材料的敏感体利用效率、识别功能和转换功能这三方面决定。因此，我们首先考虑的是结构增感(改善气体敏感材料的敏感体利用效率)，在半导体氧化物纳米敏感材料微结构调控方面敏，一维、二维、以及具有特殊形貌的三维分等级结构半导体氧化物纳米敏感材料都被作为气体敏感材料广泛用于提高半导体氧化物气体传感器的气敏特性。其中，三维反蛋白石结构微球由于具有高度有序的多孔结构而受到广泛的关注，相比于其他结构的半导体氧化物纳米敏感材料，其具有较大的比表面积和连通性较好的三维多孔孔道结构，因而可以提供较多的活性位点，有利于半导体材料与气体分子充分接触，以及气体分子的扩散。

基于这种特殊的三维反蛋白石结构，我们还发现通过掺杂Ga离子，可实现气敏特性的改善及提升。掺杂之后的气体敏感材料表面氧缺陷增加、反应活性位点增加；且掺杂将使组成三维反蛋白石结构微球的纳米颗粒尺寸减小，提高了材料的透气性，进一步提高了材料的敏感体利用率。相较于三维反蛋白石结构In₂O₃气体传感器，Ga掺杂三维反蛋白石结构In₂O₃气体传感器对甲醛的灵敏度更高，检测下限低至50ppb。因此，开展具有三维反蛋白石结构的半导体氧化物纳米敏感材料的制备和掺杂改性，并将基于这种气体敏感材料的气体传感器用于室内装修污染物甲醛的检测具有十分重要的意义。

发明内容