[發明專利]一種臭氧氣敏涂層及其制備方法

有效

• 申請號: 201610196699.2
• 申請日: 2016-03-31
• 公開（公告）號: CN105755420B
• 公開（公告）日: 2018-12-18
• 發明（設計）人: 黃晶;龔永鋒;所新坤;周平;劉奕;李華
• 申請（專利權）人: 中國科學院寧波材料技術與工程研究所
• 主分類號: C23C4/129
• 分類號: C23C4/129;C23C4/11
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 劉誠午

本發明公開了一種臭氧氣敏涂層的制備方法，以納米TiO₂摻雜的WCl₆溶液作為噴涂原料，經火焰噴涂工藝，將噴涂原料噴涂沉積到基體上，得到厚度為200～1500nm的臭氧氣敏涂層；納米TiO₂至少包含銳鈦礦型納米TiO₂。本發明公開了一種臭氧氣敏涂層的制備方法，采用火焰噴涂工藝，直接噴涂溶液制備得到具有多孔微納米結構的TiO₂?WO₃納米復合涂層，該涂層對臭氧氣體的靈敏度高；相較于等離子噴涂工藝，該噴涂工藝具有操作簡單，流程少，且成本低的優點，可以實現大規模工業化生產。

技術領域

本發明涉及氣敏涂層的技術領域，尤其涉及一種臭氧氣敏涂層及其制備方法。

背景技術

臭氧氣體是自然界中自然存在于我們大氣層的一種氣體，它的存在主要是由于陽光和某些化學物質之間的反應，并直接排放在大氣環境中。臭氧是一種強氧化性氣體，它是一把雙刃劍，具有積極和消極方面。其中，作為積極方面，高濃度的臭氧在各個領域具有較高的應用潛力，如醫藥、食品、紡織、化學工業，以及凈化的水和氣體，空氣脫臭等。臭氧也可以滅活實物中潛在的微生物包括細菌、真菌和病毒等。然而，臭氧是一個強大的氧化劑，作為其負面影響，不合適的臭氧濃度對我們的健康有較大影響。(如刺激呼吸系統、頭疼、眼睛的燒灼感)。過量接觸這種氣體會引起各種健康問題，包括炎癥和擁堵呼吸道；更高濃度臭氧則存在致命影響。因此，監測環境中的臭氧濃度是一個關鍵的任務。目前，傳統的臭氧濃度檢測分析方法很多，如紫外線(UV)吸收分析，電化學測量電流，阻抗光譜，電阻方法。然而，這些標準方法通常涉及復雜的空氣取樣，或者昂貴的分析設備。

固態傳感器是一種低成本的檢測器件，非常適合環境監測。固態傳感器具有高選擇性，響應時間短，成本低，重量輕，制造簡單，能耗低等優點。目前，常用的應用于臭氧檢測的各種類型的金屬氧化物半導體有氧化鋅(SnO₂)，氧化銦(InO₂)，氧化鎢(WO₃)，氧化鈦(TiO₂)等。其中，WO₃的晶體結構為畸變的ABO₃鈣鈦礦結構，其熔點高，分解溫度高，顯微結構和形貌穩定，因此在高溫環境中利于提高傳感器的長期有效使用的性能。研究發現，WO₃對臭氧具有極高的靈敏度與分辨率。但由于實際環境的復雜性，氣體的多樣性等方面的因素影響，WO₃也存在著穩定性不佳，連續工作存在信號漂移等問題。因此，人們逐漸關注在傳感器材料的摻雜、復合等途徑。其中，納米TiO₂具有低成本、熱穩定性好、制備工藝簡單等優點。研究表明，摻雜一定量的TiO₂，不僅可細化晶粒，而且其強烈的光載流子效率，能大幅度提高金屬氧化物表面的氧化活性位點，從而提高氣體傳感器的動態響應時間和恢復速度。因此，納米TiO₂與WO₃的復合有望為靈敏度高和在線檢測方便的臭氧氣敏元件提供新的敏感材料。

一般來說，影響臭氧傳感器氣敏特性的因素有靈敏性，選擇性，穩定性，響應時間和重復性等，研究發現提高涂層的比表面積可顯著改善其靈敏度。目前，納米WO₃涂層的傳統制備技術主要有溶膠-凝膠法、化學氣相沉積法、等離子噴涂等。然而，傳統的制備方法或對設備要求較高，或者沉積速率較低，或者局部沉積薄膜困難，或者沉積余氣有毒有害等，越來越受到局限。所以要實現WO₃涂層的大規模應用，亟需開發新型的低成本、高質量、大面積且適合工業化的涂層制備技術。

目前，熱噴涂工藝主要集中在等離子噴涂，且直接噴涂微米粉末，針對納米涂層及納米粉末，由于粉末尺寸小，質量輕，流動性差等特點，不適合直接用作噴涂原料，必須經過噴霧干燥和燒結致密化成球過程，制成質量稍大，流動性好的團聚型微米粉末才能進行噴涂。同時，等離子噴涂過程中，由于溫度較高，納米晶粒有長大的趨勢，所制得的涂層結構不穩定，會影響涂層的氣敏性。因此，開發低成本的溶液熱噴涂工藝，制備能工業化、具有高靈敏性的微納米結構臭氧氣敏涂層，具有重大的研究價值，將帶來極大的社會和經濟效益。