[發明專利]一種以水滑石為前體的氣敏元件及其制備方法

無效

• 申請號: 201210110223.4
• 申請日: 2012-04-16
• 公開（公告）號: CN102628824A
• 公開（公告）日: 2012-08-08
• 發明（設計）人: 郭影;關美玉;徐冬梅;宋宇飛;徐慶紅
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: G01N27/04
• 分類號: G01N27/04;C01G9/02
• 代理公司: 北京同恒源知識產權代理有限公司 11275
• 代理人: 張水俤

技術領域

本發明屬于氣敏傳感技術領域，特別涉及一類含Zn水滑石的制備，將其焙燒獲得含ZnO的復合金屬氧化物材料，將其制作成氣敏元件，探究其氣敏性質。

背景技術

ZnO是最早被發現的半導體氣敏材料，特點是具有寬帶隙(禁帶寬度為3.2eV)和優良的光電、壓電等性能，物理化學性質穩定。它在1800℃才有升華現象，可在較高的溫度下工作，并且價格便宜、易于制備，因而受到人們越來越多的重視。純的ZnO氣敏元件性能不夠穩定、靈敏度較低、工作溫度較高、選擇性比較差，而且在空氣中的電阻過高。為了改善其氣敏性能，研究人員紛紛采用在ZnO中摻雜的方法，試圖借此改善它的氣敏性能。在這些方法中，包括貴金屬敏化方法，稀土氧化物摻雜方法，過渡元素氧化物摻雜方法，堿土金屬元素摻雜方法等。摻雜La₂O₃和Pd可明顯改善氣敏元件的敏感性能，并在工作溫度為175℃時對乙醇蒸氣有很高的靈敏度和選擇性。Tb₂O₃摻雜的ZnO氣敏元件比純ZnO氣敏元件有更好的選擇性，更低的工作溫度。ZnO-SnO₂復合氣敏元件對l-丁醇蒸氣和二甲基二硫醚蒸氣的氣敏特性，表現出更高的靈敏度。摻雜Al₂O₃等對ZnO氣敏元件的氣敏性能也有影響，在工作溫度為300℃時，摻雜4.0wt％Al₂O₃、1.0wt％TiO₂和0.2wt％V₂O₅的ZnO氣敏元件對三甲胺氣體表現出很高的靈敏度和較好的選擇性。摻雜Y₂O₃的ZnO氣敏元件對乙醇、汽油敏感，而摻雜ZrO₂的ZnO氣敏元件適于檢測H₂，并具有較小的功耗。用Sol-gel方法制備了ZnO和Ga₂O₃復合氣敏元件，發現它對氧氣表現出很高的靈敏度。由此可以看出通過摻雜形成ZnO的復合物可以獲得靈敏度高、選擇性強、工作溫度低、穩定性好的氣敏材料。

雙金屬氫氧化物又稱為水滑石(Layered?Double?Hydroxides，簡寫為LDHs)是一種多功能陰離子型層狀材料，其具有層板金屬元素可調，層間離子可交換等多種特點，通過合理的設計，研究人員應用各種方法已將上百種具有功能性的陰離子引入到水滑石層間，形成了具有不同性能的陰離子型插層結構材料，在催化、藥物的存儲和釋放、光電轉換等多種領域具有廣泛的應用前景。水滑石具備元素組成多樣化以及元素組成分布均勻的特點，形成的復合物也是多樣化的，因此在焙燒過程中元素分布仍然很均勻。根據水滑石所含的元素均勻的性質，將其焙燒形成復合氧化物，制成氣敏元件，研究此類氣敏元件的氣敏性質，鮮有報道。

發明內容

本發明的目的是制備二價金屬和三價金屬及四價金屬任意組合的水滑石前體，將其焙燒，得到多種元素組成的復合氧化物，形如ZnO(M³⁺)，ZnO/M₂O₃，ZnO/M₂O₃/MO₂(M表示金屬元素)，制成氣敏元件，探究其對乙醇的敏感性質。

本發明的技術方案是首先采用共沉淀法制備水滑石，將水滑石在不同溫度下焙燒，形成含ZnO的復合半導體材料，然后制成氣敏元件。此種氣敏元件通過測量其在不同氣體中的電阻值，可用于各種氣體的檢測。

本發明以水滑石為前體制氣敏元件的步驟如下：

(1)共沉淀法制備層間為硝酸根的水滑石：

配制含可溶性二價金屬陽離子Zn²⁺和可溶性三價金屬陽離子M³⁺的混合鹽溶液，Zn²⁺和M³⁺的摩爾比4-1，其中Zn²⁺的濃度為0.1-1mol/L；配制0.1-5mol/LNaOH溶液，并且用量為NaOH的摩爾數是Zn²⁺和M³⁺的摩爾總和的2-5倍；然后在氮氣保護、攪拌條件下，將混合鹽溶液和NaOH溶液共沉淀形成懸浮液；滴加完畢后，繼續攪拌10-40分鐘，然后100-140℃條件下水熱晶化12-48小時，采用去CO₂水離心洗滌至中性，于60-70℃干燥12-36小時，得到硝酸根插層水滑石；將得到的硝酸根插層水滑石焙燒形成含ZnO的半導體材料；

(2)制備氣敏元件：