一種多腳狀氧化銦復合敏感材料及其制備和應用
【技術領域】
[0001]本發明屬于無機復合材料領域，具體涉及一種多腳狀氧化銦復合敏感材料及其制備和應用。
【背景技術】
[0002]近年來金屬氧化物半導體材料因為在檢測有毒有害，易燃易爆氣體上具備響應快速，靈敏度高等特點而成為敏感材料領域的研究熱點。現今，市場上大多數氣敏傳感器已經實現了在一定條件下對某種單一氣體的氣敏檢測，并且取得了很好的經濟效益。然而，同一種氣敏材料能在不同的工作溫度條件下達到對兩種氣體檢測目的的產品則很少出現，而一個優異的傳感器主要取決于其敏感材料的合成以及氣敏器件的物理制備。
[0003]氧化銦(In2O3)是一種重要的寬禁帶的N型半導體材料，具備高能帶、無污染、響應靈敏度高、響應恢復快等特點而被廣泛應用于氣敏傳感領域。近年來，大部分研究主要是通過調控氧化銦的表面性質、尺寸形貌和摻雜其它的金屬氧物或貴金屬來進一步提高材料的氣敏性能。
[0004]三維的微納米結構由于具備大的比表面積，多的吸附位點，以及不同于一維和二維材料簡單的幾何結構等特點而成為氣敏材料合成中的研究熱點。同時在三維結構的基礎上摻入少量的，廉價且催化活性高的金屬氧化物催化劑或者貴金屬催化劑能夠在某種程度上進一步提高材料的性能。目前，有關制備這方面材料的研究已經逐步開展，這對于開發新型檢測功能的氣敏傳感器具有十分重要的意義。
【發明內容】
[0005]本發明目的在于提供一種具有新的形貌特征的氧化銦復合敏感材料及其制備方法和應用，其制備工藝簡單，產量大，能夠在低溫下有效地提高對二氧化氮靈敏度和選擇性，同時在高溫下對乙醇表現出較高的靈敏度，較好的選擇性，實現同一種氣敏材料在低溫和高溫下分別對二氧化氮和乙醇的雙重檢測。
[0006]為達到上述目的，采用技術方案如下:
[0007]一種多腳狀氧化銦復合敏感材料，由4-12個長度為100?2000nm，直徑為100?800nm的銅摻雜氧化銦微米棒組成。
[0008]上述多腳狀氧化銦復合敏感材料的制備方法，包括以下步驟:
[0009]將葡萄糖和尿素以及銅鹽加入銦鹽水溶液中攪拌混合得到澄清透明的溶液；
[0010]在160?180°C反應6?1h得到產物經過離心、洗滌、干燥、焙燒得到最終的目標產物。
[0011]按上述方案，所述的銦鹽為氯化銦或硝酸銦。
[0012]按上述方案，所述的銦鹽水溶液濃度為0.033?0.067mol/L。
[0013]按上述方案，葡萄糖和尿素的質量比為(0.25?4):1。
[0014]按上述方案，銅鹽為氯化銅或硝酸銅，銅鹽與銦鹽的摩爾比為(0.02-0.07):1。
[0015]按上述方案，所述焙燒在空氣氣氛中溫度為450_550°C，時間為2_4h。
[0016]上述多腳狀氧化銦復合敏感材料應用于對可揮發性有機物氣體的檢測。
[0017]上述多腳狀氧化銦復合敏感材料應用于對二氧化氮和乙醇氣體的檢測。
[0018]與現有技術相比，本發明的有益效果為:
[0019]本發明由于葡萄糖和尿素的協同作用導致了該三維多腳狀結構的形成，這種結構因為具有不同于簡單幾何結構的一維及二維微納米材料大的比表面積和多吸附位點優勢，所以對氣體有較好的敏感性能。
[0020]本發明的制備方法銅進入了氧化銦的晶格內部，可以發揮氧化銅的催化效應，激活多腳狀的氧化銦表面吸附氧離子的解離，增加氧化銦表面填充空穴的氧分子量與填充速率，大大加快了電子在氧化銦表面的轉移速度，提升氧化銦的化學和電子性能。
[0021]通過摻雜銅能進一步提高多腳狀的氧化銦微米棒材料在低溫下對二氧化氮的氣敏性能。
[0022]該材料不僅在低溫下對二氧化氮有很好的氣敏性能，同時在高溫下對乙醇表現出了較高的靈敏度和較好的選擇性，實現了同種氣敏材料在不同的溫度下分別對二氧化氮和乙醇的檢測。
【附圖說明】
[0023]圖1:實施例1制備的銅摻雜的多腳狀的氧化銦微米棒的SEM圖；
[0024]圖2:實施例1制備的銅摻雜的多腳狀的氧化銦微米棒的XRD圖；
[0025]圖3:實施例1制備的銅摻雜的多腳狀的氧化銦微米棒的EDX圖；
[0026]圖4:實施例1和對比例制備的銅摻雜的多腳狀的氧化銦微米棒在不同溫度下對50ppm二氧化氮的氣敏響應圖；
[0027]圖5:實施例1制備的銅摻雜的多腳狀的氧化銦微米棒在不同溫度下對10ppm乙醇的氣敏響應圖；
[0028]圖6:實施例1和對比例制備的銅摻雜的多腳狀的氧化銦微米棒和對比例制備的多腳狀的氧化銦微米棒在最佳溫度下對濃度范圍為20ppb?10ppm二氧化氮的氣敏響應圖；
[0029]圖7:實施例1制備的銅摻雜的多腳狀的氧化銦微米棒在對二氧化氮和乙醇的最佳溫度下對不同氣體的氣敏響應圖；
【具體實施方式】
[0030]以下實施例進一步闡釋本發明的技術方案，但不作為對本發明保護范圍的限制。
[0031]實施例1
[0032]一種銅摻雜多腳狀In2O3微米棒，銅鹽與InCl3的摩爾比為0.02:1，具體步驟如下:
[0033]取2mmol的InCl3于30ml去離子水中，攪拌5min后得到澄清透明的溶液。稱取3.5g的葡萄糖和3.5g尿素，將葡萄糖、尿素和定量的CuCl2加入到透明溶液中，并在磁力攪拌器下攪拌Ih并超聲分散30min，得到無色透明混合溶液。將該混合溶液轉移至50ml的水熱反應釜中，在180°C下水熱反應Sh后得到棕黑色沉淀液。通過數次洗滌、離心后得到棕黑色沉淀物，將該沉淀物在60°C的恒溫干燥箱中干燥1h，最后在500°C的空氣氣氛中煅燒2h，得到目標廣品。
[0034]本實施例所得到的產物經過電鏡掃描，結果如圖1所示，這種多腳狀氧化銦材料是由數個長度為100?lOOOnm，直徑為100?700nm的微米棒組成。通過圖2，可以看到的是典型的立方形氧化銦的晶型，無任何雜質峰，說明銅被摻進了氧化銦的晶格內部，為了進一步證實這一點，圖3的元素分析(EDX)可以明確地看到有銅的存在，說明銅的確是摻入了氧化銦晶格里。
[0035]對比例
[0036]一種多腳狀In2O3微米棒的制備方法，具體步驟如下:
[0037]取2mmol的InCl3于30ml去離子水中，攪拌5min后得到澄清透明的溶液。稱取3.5g的葡萄糖和3.5g尿素，將葡萄糖、尿素加入到透明溶液中，并在磁力攪拌器下攪拌Ih并超聲分散30min，得到無色透明混合溶液。將該混合溶液轉移至50ml的水熱反應釜中，在180°C下水熱反應Sh后得到棕黑色沉淀液。通過數次洗滌、離心后得到棕黑色沉淀物，將該沉淀物在60°C的恒溫干燥箱中干燥1h，最后在500°C的空氣氣氛中煅燒2h，得到目標產品。
[0038]分別取實施例1和對比例所得多腳狀In2O3微米棒材料作為敏感材料，以無水乙醇為溶劑配制0.01g/mL的涂覆漿液，經涂覆到金叉指電極上得到氣敏材料的傳感層厚度為200nm?400nm。陰干后，將制備的氣體傳感器置于老化臺上加熱老化24h，最后進行氣敏測試。結果分別見于圖4、圖5、圖6、圖7。
[0039]圖4是實施例1制備的銅摻雜多腳狀In2O3微米棒材料和對比例的多腳狀In2O3微米棒材料在不同溫度下對50ppm 二氧化氮的氣敏響應圖，最佳工作溫度分別為150°C和200°C。圖5是實施例1制備的銅摻雜多腳狀In2O3微米棒材料在不同溫度下對10ppm乙醇的氣敏響應圖，最佳工作溫度為300°C。
[0040]圖6是實施例1和對比例的兩種材料在對一系列不同濃度二氧化氮的氣敏響