[發明專利]一種具有超敏呼吸傳感性的鐵摻雜二氧化錫類花狀納米球材料

在審

• 申請號: 201610035599.1
• 申請日: 2016-01-20
• 公開（公告）號: CN105668613A
• 公開（公告）日: 2016-06-15
• 發明（設計）人: 甄玉花;孫富華;張敏;賈凱麗;李林玲
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（華東）
• 主分類號: C01G19/02
• 分類號: C01G19/02;C01G49/00;G01N27/02;B82Y40/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及無機半導體傳感器材料制備技術領域，尤其涉及一種具有超敏呼吸傳感性的鐵摻雜二氧化錫類花狀納米球材料。

背景技術

目前用于氣體監測和報警系統的金屬氧化物半導體氣體傳感器種類繁多，常用的有ZnO、SnO₂、Fe₂O₃、SrTiO₃、In₂O₃和WO₃等。在這些半導體傳感器中，二氧化錫(SnO₂)作為n型寬禁帶(E_g＝3.6eV，溫度為300K)半導體，具有低維度、低成本、低能耗、高敏感性、高穩定性和高選擇性而得到廣泛研究，是目前最具有商業化生產價值的半導體類氣體傳感器，已在工業、農業、國防、電子、信息及與人民生活息息相關的各個領域得到廣泛的應用，特別是用于探測低濃度的可燃性氣體(如：CH₄、LPG和H₂等)，有毒氣體(如：CO、H₂S和NO_x等)和生物醫用方面，更是獨當一面。

在納米尺度領域，材料的結構特征和表面形態很大程度上決定了它的物化性能，因此，在過去的幾十年里，很多研究者致力于新材料結構的開發，通過各種實驗手段制備出諸如納米線、納米棒、納米核-殼和納米盒子等新穎結構。相對于原始塊體SnO₂材料，新穎納米結構材料具有更好的氣敏性能。顯然，如果一種材料中同時存在多種SnO₂納米新結構，在氣體探測中將會表現出更加優異的性能。

在實際SnO₂基濕敏材料的研發中，除了具有新納米結構外，往往要進行化學摻雜，貴金屬(如：Au、Pt、Pd和Rh等)摻雜是非常常見并且相當成熟的處理手段，通過摻雜形成摻雜半導體納米薄膜氣體傳感材料，此時會具有比單一新結構材料和未摻雜SnO₂材料更高的氣敏性。但是，貴金屬價格昂貴，使得大批量生產受限，因此，人們自然的考慮到一般金屬(如：Fe、Al和Cu等)摻雜。通過許多研究者的努力發現，一般金屬摻雜也能獲得較好的濕敏性。Kim等人通過摻雜NiO的類花狀SnO₂納米球的氣敏性能研究發現，當摻雜NiO時，材料在25％RH濕度環境下具有良好的CO氣敏特性，究其原因主要是：當傳感器處在濕度環境時，NiO比SnO₂更容易吸附水分子，這樣水分子就不會使SnO₂空隙過度飽和。(KimH-R,HaenschA,KimI-D,etal.TheRoleofNiODopinginReducingtheImpactofHumidityonthePerformanceofSnO₂-BasedGasSensors:SynthesisStrategies,andPhenomenologicalandSpectroscopicStudies[J].AdvancedFunctionalMaterials,2011,21(23):4456-4463.)。XiGuangcheng等人首次合成超薄單晶SnO₂納米棒材料，其直徑僅為2.0nm，為低維傳感器探測提供了新思路。(GuangchengXiandJinhuaYe,UltrathinSnO₂Nanorods:Template-andSurfactant-FreeSolutionPhaseSynthesis,GrowthMechanism,Optical,Gas-Sensing,andSurfaceAdsorptionProperties[J].InorganicChemicals,2010,49(5):2302-2309)。然而，在很多濕敏性測試中，其傳感器的呼吸傳感性并不理想，主要原因有，一是材料尺寸大，二是傳感器對濕度的恢復時間長。因此，要獲得優異的呼吸傳感性能，就要從這兩方面突破。

發明內容

本發明旨在針對現有SnO₂基濕敏材料低靈敏度、高成本和制備過程復雜的不足之處，通過無模板劑、無添加劑水熱法合成鐵摻雜二氧化錫類花狀納米球濕敏材料，水熱法大大縮短材料的制備周期。通過低濃度鐵摻雜提高了濕敏材料結晶度，避開了高昂的貴金屬，并且細化了晶粒，小晶粒類花狀納米球結構強化了對探測濕度的敏感性。