[发明专利]一种高比表面积铁酸镧气敏材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种高比表面积铁酸镧气敏材料的制备方法：以一定原子比的六水硝酸镧和九水硝酸铁为前驱体，采用溶胶凝胶法通过高比表面积分散剂添加、溶液蒸发、高温烧结等技术，得到微观结构呈现为絮状的铁酸镧复合材料。本发明制备的铁酸镧为p型半导体材料，适用于低浓度乙醇气体的预警。铁酸镧纳米材料具有高的比表面积，对乙醇气体表现出良好的灵敏度和响应恢复特性。

技术领域

本发明涉及一种高比表面积铁酸镧气敏材料的制备方法，可用于制备半导体气体传感器，并对低浓度危险气体进行有效的检测监控。

背景技术

气体传感器是一种能够检测外界气体种类与浓度的器件，其机理在于通过与外界气体进行物理吸附或化学吸附，使得传感器电阻值发生变化，相应的转化为电信号。这类传感器能够对易爆、易燃、有毒气体和废气进行安全有效的检测。

目前，由于金属半导体氧化物制备成本低、功耗低、应用广泛等，金属半导体氧化物气体传感器被广泛研究，比如SnO₂、ZnO、In₂O₃、CuO、Co₃O₄. NiO等。其中LaFeO₃是一中具有较窄的禁带宽度的P型半导体氧化物，在光催化，气敏，磁性能等领域具有广阔的应用前景。

半导体金属氧化物气体传感器主要通过材料在不同气体氛围下，材料表面原子的吸附与脱附引起其电阻值的变化不同，来实现对特殊气体定性定量的检测。将P型半导体气敏材料置于空气条件下时，空气中的氧分子与材料表面原子进行吸附与脱附，其中表面的原子价带失去电子与吸附的氧分子结合转变为O^2-、O^-、O^2-。这种材料表面原子价带电子的失去，使得材料表层电子浓度降低，形成一个空穴积累层，使得材料表层电阻降低。当材料处于还原性气体氛围下时，还原性气体提供电子与材料表层的空穴抵消，载流子浓度降低，从而使半导体氧化物电阻值升高。

影响半导体气敏材料的因素主要有两种，分别是改变材料的形貌、尺寸结构，以及掺杂其他元素。通过不同合成方法，制备出不同形貌以及尺寸结构的气敏材料，通过增加材料的比表面积来增加材料表面的活性稳点，用以提升气敏材料的性能。而通过掺杂高价的元素，能够使得P型半导体材料的空穴浓度升高，增加材料载流子浓度，降低材料表面的电阻。

发明内容

本发明针对P型半导体氧化物气敏材料在灵敏度以及响应恢复时间的不足，设计了一种高比表面积铁酸镧气敏材料的制备工艺，可用作低浓度气体传感器材料，对乙醇具有较高的的灵敏度与较低的响应恢复时间。

LaFeO₃纳米材料是一种典型的P型金属氧化物半导体材料，室温下禁带宽度在2.0eV之间，低的禁带宽度能够提高电子跃迁速率，降低响应恢复时间，具有较高的热稳定性，因此可以作为绝佳的气敏材料。

本实验采用溶胶凝胶法制备了铁酸镧纳米絮状颗粒。采用溶胶凝胶法制备的LaFeO₃，具有高的比表面积、低的禁带宽度，能够增加材料表面缺陷，提升吸附氧气能力和速率，从而增加传感器灵敏度和提高应恢复速率。

一种高比表面积铁酸镧气敏材料的制备方法，其特征在于其制备方法采用溶胶凝胶法，加入适量的高比表面积活性炭分散剂，通过调节溶液pH值，获得高比表面积絮状铁酸镧纳米材料。具体步骤如下：一、将2.165g九水硝酸镧和2.02g六水硝酸铁和100 mL去离子水搅拌0.5~1 h。待硝酸盐完全溶解后，加入3~9 g柠檬酸，继续搅拌0.5~1 h后；二、将活化后的高比表面积活性炭，活性炭与铁酸镧的质量比为：1:2~3，持续搅拌4~8 h后，用氨水滴定缓慢将溶液pH调节至5~7；三、将混合液倒入67~75℃恒温水浴杯中，溶液体积减少约40~60%后，将收集的溶胶转移至烘箱中，于150~240℃条件下干燥发泡7 h，得到褐色蓬松样品。四、充分研磨后，将褐色粉末放入马弗炉中400~650℃烧结2~6小时，得到高表面积铁酸镧纳米材料。