[發明專利]一維有序氧化鎢/氧化鈦核殼納米線在檢測二氧化氮中的應用

在審

• 申請號: 201610332519.9
• 申請日: 2016-05-18
• 公開（公告）號: CN107402240A
• 公開（公告）日: 2017-11-28
• 發明（設計）人: 秦玉香;張曉娟;王克行;張天一;劉雕;胡明
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01N27/12
• 分類號: G01N27/12
• 代理公司: 天津創智天誠知識產權代理事務所(普通合伙)12214
• 代理人: 王秀奎

技術領域

本發明屬于功能材料制備領域，更加具體地說，涉及一維有序氧化鎢/氧化鈦核殼納米線在檢測二氧化氮中的應用。

背景技術

進入21世紀，工業化水平快速發展，但人類賴以生存的自然環境與生態卻遭到嚴重破壞，空氣中存在著大量有毒有害氣體(如NO₂、NO、H₂S、CO、SO₂等等)。NOx類有毒氣體，能夠形成酸雨腐蝕建筑物和皮膚，也能產生化學煙霧，吸入引發咳嗽，更甚者造成呼吸道疾病。因此制作高效且準確檢測和預防有毒有害氣體的傳感器刻不容緩。要獲得高性能的納米傳感器，首先就要制備出可以提供這些高性能可能性的納米材料。

金屬氧化物半導體型氣敏傳感器具有低成本，高靈敏度，易于控制與操作的優點，因而受到越來越廣泛的關注，但目前研究較成熟的氣敏材料金屬氧化物半導體有ZnO、SnO₂、TiO₂等，但他們均不能用于高效檢測NOx類氣體。隨著研究深入，1991年AkiyamaM等報道了WO₃陶瓷在300度的環境下是檢測NOx的高敏感材料。自此，引發眾多科研工作者對WO₃的研究。WO₃是一種金屬氧化物半導體，是一種表面電導(電阻)控制型氣敏材料。WO₃晶體表面的原子性質活躍，容易吸附氣體分子，而當氣體分子吸附在晶體表面時，會使其內部載流子濃度發生相應的變化，表現為傳感器的電阻變化。鑒于氧化鎢的活躍原子位于晶體表面因此極大的擴大晶體表面與氣體的接觸面積，能夠有效的改善氣敏性能。一維納米線結構的氧化鎢因其巨大的比表面積吸引了眾多科研工作者的研究。經過近幾年的研究已經可以通過水熱法、氣相法、溶膠-凝膠等制得。實驗結果證明，一維納米線結構的氧化鎢確實提高了檢測氣體的靈敏度，但這依然不能達到市場化與集成化應用的要求。為了得到高選擇性、高靈敏度、低工作溫度，高穩定性的氣敏傳感器，目前主要通過氣敏材料改性來提高氣敏性能。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種一維有序氧化鎢/氧化鈦核殼納米線及其陣列，以及利用這一陣列組成的氣敏傳感器元件和制備方法與應用。在本發明的技術方案中，以對氣體吸附和反應具有催化活性的超薄氧化鈦殼層與準定向氧化鎢納米線復合構筑新型一維有序核殼復合結構氣敏材料，以實現氣敏性能改善，由于超薄結構氧化鈦對氣體吸附具有顯著催化活性，同時，兩種氧化物異質復合形成的異質結在結構上具有納米協同效應和異質結效應，而且，有序一維納米結構陣列能夠為氣體分子提供高效擴散通道，垂直定向有序陣列結構氣敏元件可以在室溫下超快靈敏探測氮氧化物。同時，此復合型氣敏傳感器制備條件易于控制，工藝簡單，具有重要的實際價值與研究意義。

本發明的技術目的通過下述技術方案予以實現：

一維有序氧化鎢/氧化鈦核殼納米線，以氧化鎢為核，以氧化鈦為殼，在氧化鎢的外圍均勻地包裹氧化釩，氧化鎢/氧化鈦核殼納米線長度為800—1000nm，氧化鎢的直徑為20-30nm，氧化鈦的厚度為10-20nm，氧化鎢和氧化鈦形成了同軸核殼異質結構。

在上述技術方案中，氧化鎢/氧化鈦核殼納米線長度為850—1000nm，氧化鎢的直徑為25-30nm，氧化鈦的厚度為10-18nm。

由一維有序氧化鎢/氧化鈦核殼納米線在基底上形成納米線陣列，即氧化鎢/氧化鈦核殼納米線基本垂直于基底表面進行設置，以形成納米線陣列，宏觀上表現為膜結構，氧化鎢/氧化鈦核殼納米線長度基本與膜厚度一致，為800—1000nm，優選850—1000nm。

基于氧化鎢/氧化鈦核殼納米線的氣敏元件，由基底、鉑電極、鎢鈦復合層和氧化鎢/氧化鈦核殼納米線陣列組成，在基底上設置鉑電極，在鉑電極上設置鎢鈦復合層，在鎢鈦復合層上設置氧化鎢/氧化鈦核殼納米線陣列，氧化鎢/氧化鈦核殼納米線陣列由一維有序氧化鎢/氧化鈦核殼納米線組成，氧化鎢/氧化鈦核殼納米線基本垂直于鎢鈦復合層，以形成納米線陣列，宏觀上表現為膜結構，氧化鎢/氧化鈦核殼納米線長度基本與膜厚度一致，為800—1000nm，優選850—1000nm。

在上述技術方案中，氧化鎢/氧化鈦核殼納米線，以氧化鎢為核，以氧化鈦為殼，在氧化鎢的外圍均勻地包裹氧化釩，氧化鎢/氧化鈦核殼納米線長度為800—1000nm，氧化鎢的直徑為20-30nm，優選25-30nm；氧化鈦的厚度為10-20nm，優選10-18nm；氧化鎢和氧化鈦形成了同軸核殼異質結構。