[發(fā)明專利]一種p-n復(fù)合結(jié)構(gòu)納米金屬氧化物及其制備方法和應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410206765.0
• 申請日: 2014-05-16
• 公開（公告）號: CN103966697A
• 公開（公告）日: 2014-08-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 白守禮;劉海燕;李殿卿;羅瑞賢;陳靄璠
• 申請（專利權(quán)）人: 北京化工大學(xué)
• 主分類號: D01F9/08
• 分類號: D01F9/08;D01F9/10;D01D5/00;D01D10/02;G01N27/04
• 代理公司: 北京思海天達知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 何俊玲

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體復(fù)合納米金屬氧化物制備技術(shù)及傳感技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及p-n復(fù)合結(jié)構(gòu)納米金屬氧化物及其制備方法，以及將其用作半導(dǎo)體一氧化碳傳感器的敏感材料，測定環(huán)境中微量一氧化碳氣體含量。

背景技術(shù)

到目前為止，以半導(dǎo)體金屬氧化物為基礎(chǔ)的氣敏材料的研究主要集中在SnO₂，ZnO，WO₃和TiO₂等n型半導(dǎo)體上，而對p型半導(dǎo)體特別是Co₃O₄傳感器的研究還處于初始階段，相關(guān)文件也很少。Co₃O₄是一種過渡金屬氧化物，為立方晶系，空間群Fd3m，具有正常的尖晶石結(jié)構(gòu)，二價鈷離子占據(jù)四面體位，三價鈷離子占據(jù)八面體位，具有較高的晶體場穩(wěn)定化能。Co₃O₄在許多領(lǐng)域，催化、鋰電池的電極材料、固體電解質(zhì)傳感器、電致變色器件、太陽能吸收和染料方面都具有很大的潛在應(yīng)用。尤其四氧化三鈷作為一種p型半導(dǎo)體對環(huán)境有害氣體，如CO，NO₂等都有敏感響應(yīng)，但其靈敏度比n型半導(dǎo)體低。因此，如何提高四氧化三鈷的氣敏性能成為研究熱點。近十年研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體復(fù)合時，兩種晶粒相接觸，晶粒界面就會產(chǎn)生異質(zhì)結(jié)，為化學(xué)吸附氧提供了額外吸附面，而且由于p-n結(jié)的生成，導(dǎo)致晶界勢壘升高，并促進了電子在吸附氧和晶粒間的轉(zhuǎn)移，有利于氣敏反應(yīng)，從而改善氣敏性能并被廣泛應(yīng)用于檢測各種氣體。

在半導(dǎo)體氣體傳感器領(lǐng)域，p-n異質(zhì)結(jié)復(fù)合半導(dǎo)體材料引起人們的高度關(guān)注，被認為是檢測環(huán)境中有害氣體最具前景的新型半導(dǎo)體氣敏材料。近年來，人們對p-n異質(zhì)結(jié)進行了廣泛的研究，并取得了一些進展。Y.Q.Liang等人(Nanoscale,2013,5,10916–10926)通過陽極氧化的方法制備均一的TiO₂納米管，并以此為模板在120℃下和硝酸鈷水熱反應(yīng)5h，生成一維納米棒，經(jīng)過煅燒獲得p-n異質(zhì)結(jié)Co₃O₄@TiO₂復(fù)合物，但該方法采用先陽極氧化后進行水熱反應(yīng)，合成步驟繁瑣。Z.Lou等人(New.J.Chem.,2012,36,1003–1007)以氯化錫和硝酸鎳為原料，在140℃條件下水熱反應(yīng)24h制得p-NiO/n-SnO₂異質(zhì)結(jié)復(fù)合物。該方法反應(yīng)時間比較長。這兩種方法制備的材料都是在n型半導(dǎo)體的基礎(chǔ)上復(fù)合p型半導(dǎo)體，形成p-n異質(zhì)結(jié)。

靜電紡絲是一種獨特，簡易，通用的方法，能夠制備直徑均一，長徑比大，且具有不同含量、分散均勻的有機∕無機、無機∕無機復(fù)合的一維納米纖維。作為制備納米纖維的一種途徑，由于低能高效而倍受青睞，而且由于靜電紡絲法制備的一維納米纖維是由氧化物顆粒串聯(lián)而成，不易團聚和粘結(jié)，能夠更好地提高材料的比表面積，從而提高材料的氣敏特性。所以，利用靜電紡絲法制備p-n異質(zhì)結(jié)復(fù)合金屬氧化物不失為一種提高材料氣敏特性的好方法。

本發(fā)明擬采用靜電紡絲法在p型四氧化三鈷上復(fù)合n型半導(dǎo)體二氧化錫，制備p-n結(jié)復(fù)合氧化物，從而提高四氧化三鈷的氣敏。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種p-n復(fù)合結(jié)構(gòu)納米金屬氧化物及其制備方法，并將其用作半導(dǎo)體氣體傳感器的敏感元件，檢測環(huán)境中微量一氧化碳氣體含量。

本發(fā)明提供的p-n復(fù)合結(jié)構(gòu)納米金屬氧化物，是由SnO₂和Co₃O₄納米顆粒串聯(lián)成的直徑為100-200nm，表示為n-SnO₂@p-Co₃O₄納米纖維。

p-n復(fù)合結(jié)構(gòu)納米金屬氧化物的制備方法，具體步驟如下：

A.在反應(yīng)器中，將可溶性鈷鹽溶于N,N-二甲基甲酰胺中(DMF)，配成濃度為1.0～2.0mol/L的溶液，攪拌2～6小時,在攪拌條件下加入錫鹽，使溶液中鈷鹽與錫鹽的質(zhì)量比為1～10：1，繼續(xù)攪拌1～3小時，然后加入增稠劑，增稠劑的加入量按照每毫升DMF加入0.1～0.5g增稠劑，繼續(xù)攪拌4～8小時，得透明溶液。