[发明专利]一种三维分层多级TiO2

说明书

本发明公开了一种三维分层多级TiO₂纳米花NH₃敏传感器及其制备方法，克服现有制备技术中对设备和原材料要求高、工艺复杂且能耗高的问题，解决TiO₂厚膜气敏材料导致的气敏传感器稳定性、一致性差的问题。本发明的技术方案为：一种三维分层多级TiO₂纳米花NH₃敏传感器的制备方法，利用水溶液法在银叉指电极上原位生长三维分层多级TiO₂纳米花薄膜，制备得到一种三维分层多级TiO₂纳米花NH₃敏传感器。本发明使用原位生长的方法，使得TiO₂气敏材料与基底之间具有强结合力，保证气敏元件的长期稳定性和一致性，并且为气体吸附提供了大量的活性位点和吸附和脱附的扩散通道，能大幅度提升TiO₂对NH₃的气敏特性。

技术领域

本发明属于气体传感器领域，具体涉及一种三维分层多级TiO₂纳米花NH₃敏传感器及其制备方法。

背景技术

NH₃为无色气体，具有强烈的刺激性气味。各行各业如化工、汽车、建筑装潢、医疗卫生、畜牧养畜等都会产生一定的NH₃排放到大气中，如美容美发业使用的染发剂和烫发剂的挥发，建筑施工中的水泥防冻剂尿素的分解，家具涂饰时所用的添加剂和增白剂的分解与挥发，化肥的生产和制冷系统的应用都会产生NH₃。研究表明，当大气中的NH₃浓度超过500ppm，人的耐受时间不超过两个小时。因此，研究低功耗、高选择性且可在ppb-ppm级快速响应-恢复的NH₃气体传感器对NH₃气体的实时预警、灾害事故现场防护均具有重大的研究意义和应用前景。

金属氧化物TiO₂具有化学性质稳定、安全无毒且成本低等优点。近几年，关于TiO₂作为传感元件检测有毒、有害气体成为新的研究热点。大量研究发现，TiO₂的形貌、结构等与气体传感器的性能密切相关。当TiO₂的晶粒尺寸小于2倍的德拜长度时，TiO₂的灵敏度会随着晶粒尺寸的减小而显著提高。但是，纳米颗粒由于高的表面能导致严重的团聚现象，使得敏感材料的利用率急剧下降，进而使其气体灵敏度显著衰退。与纳米颗粒相比，TiO₂分级纳米结构的气体传感器具有多重优势：巨大的比表面积为反应提供大量的活性位点，有利于吸附目标气体并促进化学反应中的电子转移；分级结构纳米材料的高孔隙率，为气体的吸附-脱附提供了扩散通道，从而可获得快速的响应-恢复特性。但是在实际应用中，TiO₂分级纳米结构的NH₃敏传感器的制备工艺一般采用厚膜转移工艺。这种工艺存在以下缺点：制备出粉末状的TiO₂，再通过制备浆料的方式涂覆在基底上，制备工艺复杂，而且厚膜在高温烧结后易产生裂纹甚至脱落，导致气敏元件的一致性、稳定性、可靠性差，寿命较短等问题。因此，原位生长的薄膜型气体传感器是将传感器应用于实际生活和产业中的主要趋势。

目前，薄膜型气体传感器的原位生长法主要有：磁控溅射、CVD法，喷雾热解法，旋涂法等。但是，这些方法对仪器及原材料的要求比较高，在制备过程复杂，需要对温度、流速、衬底、载气等因素严格把控，才能保证成品的纯度、结构性、物理化学特性等。

发明内容

本发明的目的是要提供一种原位生长三维分层多级TiO₂纳米花NH₃敏传感器及其制备方法，以克服现有制备技术中对设备和原材料要求高、工艺复杂且能耗高的问题。同时，解决TiO₂厚膜气敏材料带来的表面皲裂甚至脱落而导致的气敏传感器稳定性、一致性差的问题。

为了达到上述目的，本发明提供以下制备方案：