[發(fā)明專利]多孔氧化鈷納米線及其制備方法與應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410218728.1
• 申請日: 2014-05-22
• 公開（公告）號: CN104003454A
• 公開（公告）日: 2014-08-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 宋衛(wèi)國;竇智峰;曹昌燕
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院化學研究所
• 主分類號: C01G51/04
• 分類號: C01G51/04;B82Y30/00;B82Y40/00;G01N33/00
• 代理公司: 北京紀凱知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11245
• 代理人: 關(guān)暢

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于納米材料領(lǐng)域，涉及一種多孔氧化鈷納米線及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)

一維納米結(jié)構(gòu)材料，因其具有較高的表體比、更多的暴露活性位點以及優(yōu)異的物理學性能，在能源、環(huán)境等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。本發(fā)明涉及的一維多孔表面氟離子摻雜四氧化三鈷納米線兼?zhèn)淞艘痪S材料良好的物理學優(yōu)勢和多孔材料比表面積大、暴露活性位點多的化學優(yōu)勢。這種一維多孔結(jié)構(gòu)，非常有利于氣體分子在材料表面擴散，促進表面反應(yīng)進行；同時，通過在材料表層引入氟離子摻雜，可以提高材料的電子傳輸能力，促進化學信號向電學信號傳遞，以上兩點的實現(xiàn)對提高金屬氧化物半導體型氣敏材料的低溫氣敏性能起到關(guān)鍵作用。這是因為氣敏傳感機理復雜、影響因素較多，在進行材料設(shè)計時應(yīng)充分考慮到，良好的氣敏材料不僅要具有良好的表面催化、表面反應(yīng)等化學特性，同時還應(yīng)具有適當?shù)陌雽w能級結(jié)構(gòu)和導電性等物理學特性。目前文獻中尚未見此種氟離子摻雜多孔四氧化三鈷納米線的結(jié)構(gòu)報道。

金屬氧化物半導體型氣敏傳感器由于具有物理化學性質(zhì)穩(wěn)定、制備成本低、應(yīng)用范圍廣、易于集成等諸多優(yōu)點，從其首次成功商業(yè)應(yīng)用以來，一直是氣敏材料研究和開發(fā)領(lǐng)域的研究熱點之一。四氧化三鈷納米材料是一類典型的p型半導體過渡金屬氧化物材料(E_g≈1.48eV～2.19eV)，因具有優(yōu)良催化性能和較好的電學性能，在氣敏傳感領(lǐng)域越來越受到重視。。但是，目前，四氧化三鈷用作氣敏材料時還存在著和其它金屬氧化物半導體型氣敏材料類似的不足，例如響應(yīng)靈敏度低、選擇性差、工作溫度較高等。這一方面是因為大多金屬氧化物半導體在室溫或近室溫條件下電阻率很大(常大于10⁸Ω·cm)，相對較小的電阻變化不易檢測；另一方面，很多敏感材料只有在較高的溫度下表面才能產(chǎn)生足夠多的、有效的活性物種，引起表面電導率變化。但是，較高的工作溫度在實際應(yīng)用中要求有附加加熱系統(tǒng)以維持其最好工作狀態(tài)，這不僅會增加能耗和使用成本，同時，在作為易燃、易爆等氣源監(jiān)測元件時，高熱的氣敏元件本身會成為潛在的起爆源，而使用具有低工作溫度甚至室溫工作的氣敏元件不僅可以有效減少或避免上述不利因素的影響，而且較低的工作溫度對提高氣敏材料的選擇性非常有利。因此，開發(fā)低成本制備具有低工作溫度的高性能氣敏材料具有重大的實際意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種多孔氧化鈷納米線及其制備方法與應(yīng)用。

本發(fā)明提供的制備四氧化三鈷納米線的方法，包括如下步驟：

將可溶性無機鈷鹽、無機氟鹽、堿源與水混勻后進行水熱反應(yīng)，反應(yīng)完畢后收集絮狀沉淀進行煅燒，得到所述四氧化三鈷納米線。

上述方法中，所述可溶性無機鈷鹽選自氯化鈷、硝酸鈷和硫酸鈷中的至少一種；

所述無機氟鹽為氟化鈉、氟化銨或氟化鉀；

所述堿源為尿素、碳酸鈉或碳酸氫鈉。

所述可溶性鈷鹽、無機氟鹽、堿源的摩爾比為1：1：1，所述可溶性鈷鹽與水的摩爾比為1：3000～4000，具體為1：3556；

所述水熱反應(yīng)步驟中，溫度為120-160℃，具體為120℃、140℃、150℃或160℃，反應(yīng)時間為2-12小時，具體為2小時、4小時、8小時或12小時。

所述煅燒步驟中，煅燒溫度為300-500℃，具體為300℃、350℃、400℃或450℃，由室溫升至煅燒所用溫度的升溫速率為1-5℃/min，具體為1℃/min、2℃/min或4℃/min，時間為1-3小時，具體為1小時、2小時或3小時。

另外，按照上述方法制備得到的四氧化三鈷納米線，也屬于本發(fā)明的保護范圍。其中，所述納米線為一維多孔結(jié)構(gòu)；所述納米線的比表面積為60-20m²/g，具體為45m²/g；所述納米線的直徑為50-150nm，具體為100nm；所述納米線中孔的孔徑為2-50nm，具體為3-30nm。

此外，上述本發(fā)明提供的四氧化三鈷納米線在制備氣敏傳感器中的應(yīng)用及含有該四氧化三鈷納米線的氣敏傳感器，也屬于本發(fā)明的保護范圍。其中，所述氣敏傳感器為對一氧化碳敏感的氣敏傳感器；所述氣敏傳感器的工作溫度不大于100℃，為近室溫(T_op≤100℃)。

本發(fā)明利用可溶性的廉價鈷鹽、含氟無機鹽以及有機或無機堿(鹽)為主要原料，通過水熱-固相熱處理聯(lián)合法制得了一種具有一維多孔結(jié)構(gòu)的納米四氧化三鈷材料。