CN103043731A

CN103043731A - 氧化镍纳米片阵列的制备方法及甲醛传感器

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Publication number: CN103043731A
Application number: CN2013100430289A
Authority: CN
Inventors: 张珽; 崔铮; 李光辉; 王学文; 刘瑞
Original assignee: SUZHOU NANOGRID TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SUZHOU NANOGRID TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-02-04
Filing date: 2013-02-04
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2033-02-04
Also published as: CN103043731B

Abstract

本发明揭示了一种氧化镍纳米片阵列的制备方法及甲醛传感器，其中该方法包括以下步骤：制取铵盐、镍盐和碱的混合溶液；将衬底放入混合溶液中，并保温；随后将衬底从混合溶液中取出，并进行退火处理，得到形成在衬底上的氧化镍纳米片阵列。本发明提供的氧化镍纳米片阵列的制备方法通过制取铵盐、镍盐和碱的混合溶液，使得铵盐电离出的铵离子与碱电离出的氢氧根离子反应生成氨水，氨水进一步与镍盐电离出的镍离子反应生成络合物，随着反应的进行，络合物与混合溶液中的氢氧根离子进一步反应生成氢氧化镍纳米片阵列，随后通过退火处理将氢氧化镍纳米片阵列氧化成氧化镍纳米片阵列，该制备方法工艺简单，成本较低，且易实现工业大规模生产。

Description

氧化镍纳米片阵列的制备方法及甲醛传感器

技术领域

本发明属于本发明属于电子器件制造技术领域，具体涉及一种氧化镍纳米片阵列的制备方法，以及采用该方法制得的氧化镍纳米片阵列制作的甲醛传感器。

背景技术

氧化镍作为一种重要的过渡金属氧化物，由于其独特的物理和化学性质，在电子材料，磁性材料，催化材料，传感材料，光电材料，场发射显示，能源存储等领域被广泛应用。近几年来，随着纳米科学与纳米技术的迅速发展，与传统材料相比，纳米材料具有量子尺寸效应、表面和界面效应、宏观量子隧道效应等特性，在众多领域表现出更加优异的性能。因此纳米尺度氧化镍的制备、表征及相关性能研究受到了人们的广泛关注。

纳米片阵列是由垂直生长于衬底的纳米片组成的多孔三维纳米结构，该结构具有较大的比表面积，且为开放几何结构，在场发射显示，锂电池材料，气敏传感等领域具有很大的潜在应用价值。迄今为止，人们通过水热法，CVD法和模板法等各种物理和化学方法制备了氧化镍纳米片阵列。并对其电化学性能进行了研究。但是，上述的水热法、模板法和CVD法制备氧化镍纳米片阵列所需要仪器价格昂贵，实验过程复杂，需要在高温高压下进行，反应条件苛刻，而且耗能高，产率低，不能实现大规模生产。

甲醛作为一种室内有毒气体，对人体和环境伤害非常大。对人体的眼睛及呼吸道具有强烈的刺激性。常经数小时至十几小时或更长时间潜伏期后发生迟发性肺水肿、成人呼吸窘迫综合征，出现胸闷、呼吸窘迫、咳嗽、咯泡沫痰、紫绀等因此，检测室内空气中的甲醛对保护人体健康，提高生活质量以及保护环境具有很大的意义。

目前检测甲醛的主要方法是采用化学分析法，该方法如乙酰丙酮分光光度法（国家标准编号为：GB/T 15516-1995）、酚试剂比色法（GB/T 18204.26-2000）、AHMT分光光度法（GB/T 16129-1995）等。这几种方法比较费时，仪器价格昂贵，不能实时在线检测，而且检测底线比较高，不能有效的检测低浓度的甲醛。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种氧化镍纳米片阵列的制备方法，其制备工艺简单，可以实现规模化的生产，且成本较低。

本发明的目的还在于提供一种甲醛传感器。

为解决上述发明目的之一，本发明提供一种氧化镍纳米片阵列的制备方法，该方法包括以下步骤：

S1、制取铵盐、镍盐和碱的混合溶液；

S2、将衬底放入步骤S1中制取的混合溶液中，并保温；

S3、将步骤S2中的衬底从混合溶液中取出，并进行退火处理，得到形成在衬底上的氧化镍纳米片阵列。

作为本发明的进一步改进，步骤S1中所述的铵盐、镍盐和碱的摩尔比例范围为1:3:6~100:3:6。

作为本发明的进一步改进，步骤S1中所述的铵盐选自氯化铵、硫酸铵、硝酸铵、磷酸铵、草酸铵、醋酸铵中的一种或多种的组合；所述的镍盐选自氯化镍、硫酸镍、草酸镍、硝酸镍、醋酸镍、磷酸镍中的一种或多种的组合；所述的碱选自氢氧化钠、氢氧化钾中的一种或其组合。

作为本发明的进一步改进，步骤S2中对所述混合溶液保温时的温度范围为0~300℃，保温时间范围为1min~30h。

作为本发明的进一步改进，步骤S2结束后，所述衬底上形成有氢氧化镍纳米片阵列，步骤S3中退火处理的温度最低为200℃，最高不高于氢氧化镍纳米片阵列的熔点。

为实现上述另一发明目的，本发明提供一种甲醛传感器，包括氧化镍纳米片阵列以及形成于所述氧化镍纳米片阵列上的若干电极，所述氧化镍纳米片阵列由上述发明内容所提供的方法制得。

作为本发明的进一步改进，所述电极包括叉齿电极和/或一字型电极，所述若干电极之间的间距范围为1nm~10cm。

作为本发明的进一步改进，所述电极通过气流喷技术打印在所述氧化镍纳米片阵列上，并进行退火处理形成。

作为本发明的进一步改进，所述退火处理时的温度范围为10℃~500℃，退火处理时的气体氛围为真空、惰性气体、空气中的一种或几种的组合。

作为本发明的进一步改进，所述电极的材质为银。

与现有技术相比，本发明提供的氧化镍纳米片阵列的制备方法通过制取铵盐、镍盐和碱的混合溶液，使得铵盐电离出的铵离子与碱电离出的氢氧根离子反应生成氨水，氨水进一步与镍盐电离出的镍离子反应生成络合物，随着反应的进行，络合物与混合溶液中的氢氧根离子进一步反应生成氢氧化镍纳米片阵列，随后通过退火处理将氢氧化镍纳米片阵列氧化成氧化镍纳米片阵列，该制备方法工艺简单，成本较低，且易实现工业大规模生产，采用本方法制备的氧化镍纳米片阵列制作甲醛传感器，可以实现甲醛的低底线、高灵敏度、宽检测范围的检测。

附图说明

图1是本发明氧化镍纳米片阵列的制备方法一实施方式的流程图；

图2是实施例1中制得的氢氧化镍纳米片阵列在放大10000倍扫描电子显微镜下的微观结构图；

图3是实施例1中制得的氧化镍纳米片阵列的XRD检测图；

图4是实施例1中制得的氧化镍纳米片阵列制作的甲醛传感器对于不同浓度甲醛响应的测试示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

参图1，介绍本发明氧化镍纳米片阵列制备方法的一具体实施方式。在本实施方式中，该方法包括以下步骤：

S1、制取铵盐、镍盐和碱的混合溶液。

在本步骤中，铵盐、镍盐和碱的摩尔比例范围控制为1:3:6~100:3:6。作为优选的实施方式，在本实施方式中，铵盐选自氯化铵、硫酸铵、硝酸铵、磷酸铵、草酸铵、醋酸铵中的一种或多种的组合；镍盐选自氯化镍、硫酸镍、草酸镍、硝酸镍、醋酸镍、磷酸镍中的一种或多种的组合；碱选自氢氧化钠、氢氧化钾中的一种或其组合。当然，可以理解的是，这里只是示范性地列举采用的铵盐、镍盐、以及碱的一些较佳实施例，而并非是限制。

在所说的制取铵盐、镍盐和碱的混合溶液过程中，可以是采用任何可以溶解铵盐、镍盐、和碱的溶剂，在本实施方式中，优选地采用水溶液制备铵盐、镍盐和碱的混合溶液。

S2、将衬底放入步骤S1中制取的混合溶液中，并保温。

本步骤中，保温时的温度控制在0~300℃之间，保温时间范围为1min~30h。具体地，在一定温度下，混合溶液中的铵盐电离出的铵离子与碱电离出的氢氧根离子反应生成氨水，氨水进而与混合溶液中镍盐电离出的镍离子反应生成络合物，随着反应时间的延长，所述的络合物进一步与混合溶液中的氢氧根离子反应并在衬底上生成氢氧化镍纳米片阵列。

氢氧化镍纳米片阵列的形貌和高度可以通过铵盐、镍盐、碱的摩尔比例以及反应时间进行控制。

在本实施方式中，衬底的材质可以例如选自玻璃、金属、PET、PI、硅、二氧化硅等。在其它替换的实施方式中，衬底可以选用任何不被混合溶液溶解的材质。

退火处理用于将步骤S2中生成在衬底上的氢氧化镍纳米片阵列氧化，以得到氧化镍纳米片阵列。其中，退火处理的温度最低为200℃，最高不高于氢氧化镍纳米片阵列的熔点；退火处理时的气体氛围可以是空气，也可以例如采用惰性气体来避免外界环境对反应过程的影响，当然，在更多的实施例中，其它任何合适的气体氛围都可以应用于该退火步骤中。

退火处理可以是在类似热氧化的整批式（batch）开放炉管或不开放炉管系统中进行，也可以采用快速热退火(RTA)技术。当然，这里仅仅是示范性地做出退火处理工艺的一些说明，在实际的生产过程中，需要综合考虑生产成本和工艺效果，采用任何可以达到退火处理效果的工艺。

氧化镍纳米片阵列的形貌和高度可以通过调节镍盐的浓度和反应时间进行控制，可以依据应用环境和用途的不同，控制氧化镍纳米片阵列的形貌和高度，以达到设计的应用效果。

以下继续介绍本发明甲醛传感器的一具体实施方式。在本实施方式中，该甲醛传感器包括采用上述方法制得的氧化镍纳米片阵列以及形成于氧化镍纳米片阵列上的若干电极。

甲醛传感器的电极包括叉齿电极和/或一字型电极，若干电极之间的间距范围为1nm~10cm。在本实施方式中，优选地采用叉齿电极，该叉齿电极通过气流喷技术在氧化镍纳米片阵列上打印形成。

具体的制备过程中，在衬底上生长的氧化镍纳米片阵列上打印形成叉齿电极，然后经退火处理，制得甲醛传感器。电极优选地采用银墨水打印形成，当然，在更多替换的实施方式中，可以采用其它任意的导电材料替代银，并且，电极的制备方法也并不限于打印。退火处理的温度范围优选地控制在10℃~500℃之间，退火处理时的气体氛围可以是真空、氩气、或空气等。优选地采用真空或惰性气体的气体氛围可以减少外界环境对退火处理过程的影响。这里需要说明的是，本发明中所提到的“气体氛围”是指操作时周围环境中充斥的气体。

氧化镍纳米片阵列不仅可以用于甲醛的检测，同时还是一种对葡萄糖非常敏感的材料，其稳定性高，价格便宜，没有毒性，不受外界条件的干扰，故应用氧化镍纳米片阵列检测葡萄糖也具有重大意义。

为了更好的阐述本发明，下面提供一些具体的实施例对本发明的内容做进一步解释。

实施例1

称取5 mmol 氯化铵、0.7 mmol 氯化镍、1.4 mmol 氢氧化钠、20ml 水制备成混合溶液，并进行搅拌，使混合溶液中各成分均一分散。将该混合溶液倒入到样品瓶中，并将准备好的衬底斜放到溶液中，随后将样品瓶放入到烘箱中，在55℃下保温15个小时，得到尺寸均一的氢氧化镍纳米片阵列。图2为制备的氢氧化镍纳米片阵列在扫描电子显微镜下的结构照片。

接着，将氢氧化镍纳米片阵列在空气中400℃进行退火处理，得到氧化镍纳米片阵列。退火处理后生成的氧化镍纳米片阵列的形貌与氢氧化镍纳米片阵列的形貌相比并没有发生变化，故参图2所示的氢氧化镍纳米片阵列在扫描电子显微镜下的结构照片，制备的氧化镍纳米片阵列为单晶结构。参图3所示，氧化镍纳米片阵列的XRD检测曲线表明生成物是纯相的立方结构氧化镍纳米片阵列，没有其他杂质生成。

参图4，采用该氧化镍纳米片阵列制备成气体传感器对甲醛进行检测，气体传感器响应不同浓度的甲醛而表征出不同的阻值（竖轴所示），进而计算出对应的甲醛浓度，经试验，本发明的甲醛传感器可实现对60ppb-8ppm浓度范围的甲醛进行检测，其检测底线低，检测精度高，可检测范围广。

实施例2

称取0.2mmol 氯化铵、 0.7 mmol 氯化镍、 1.4 mmol 氢氧化钠、20ml 水制备成混合溶液，并进行搅拌，使混合溶液中各成分均一分散。将该混合溶液倒入到样品瓶中，并将准备好的衬底斜放到溶液中，随后将样品瓶放入到烘箱中，在55℃下保温15个小时，得到尺寸均一的氢氧化镍纳米片阵列。

接着，将氢氧化镍纳米片阵列在空气中400℃进行退火处理，得到氧化镍纳米片阵列。退火处理后生成的氧化镍纳米片阵列的形貌与氢氧化镍纳米片阵列的形貌相比并没有发生变化。

实施例3

称取10 mmol氯化铵、0.7 mmol氯化镍、1.4 mmol氢氧化钠、20ml水制备成混合溶液，并进行搅拌，使混合溶液中各成分均一分散。将该混合溶液倒入到样品瓶中，并将准备好的衬底斜放到溶液中，随后将样品瓶放入到烘箱中，在55℃下保温15个小时，得到尺寸均一的氢氧化镍纳米片阵列。

实施例4

称取15 mmol氯化铵、0.7 mmol氯化镍、1.75 mmol氢氧化钠、20ml 水制备成混合溶液，并进行搅拌，使混合溶液中各成分均一分散。将该混合溶液倒入到样品瓶中，并将准备好的衬底斜放到溶液中，随后将样品瓶放入到烘箱中，在55℃下保温15个小时，得到尺寸均一的氢氧化镍纳米片阵列。

实施例5

称取20 mmol氯化铵、 0.7 mmol氯化镍、1.75 mmol氢氧化钠、20ml水制备成混合溶液，并进行搅拌，使混合溶液中各成分均一分散。将该混合溶液倒入到样品瓶中，并将准备好的衬底斜放到溶液中，随后将样品瓶放入到烘箱中，在55℃下保温15个小时，得到尺寸均一的氢氧化镍纳米片阵列。

本发明通过上述实施方式，具有以下有益效果：通过制取铵盐、镍盐和碱的混合溶液，使得铵盐电离出的铵离子与碱电离出的氢氧根离子反应生成氨水，氨水进一步与镍盐电离出的镍离子反应生成络合物，随着反应的进行，络合物与混合溶液中的氢氧根离子进一步反应生成氢氧化镍纳米片阵列，随后通过退火处理将氢氧化镍纳米片阵列氧化成氧化镍纳米片阵列，该制备方法工艺简单，成本较低，且易实现工业大规模生产，采用本方法制备的氧化镍纳米片阵列制作甲醛传感器，可以实现甲醛的低底线、高灵敏度、宽检测范围的检测。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种氧化镍纳米片阵列的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1、制取铵盐、镍盐和碱的混合溶液；

S2、将衬底放入步骤S1中制取的混合溶液中，并保温；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中所述的铵盐、镍盐和碱的摩尔比例范围为1:3:6~100:3:6。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中所述的铵盐选自氯化铵、硫酸铵、硝酸铵、磷酸铵、草酸铵、醋酸铵中的一种或多种的组合；所述的镍盐选自氯化镍、硫酸镍、草酸镍、硝酸镍、醋酸镍、磷酸镍中的一种或多种的组合；所述的碱选自氢氧化钠、氢氧化钾中的一种或其组合。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中对所述混合溶液保温时的温度范围为0~300℃，保温时间范围为1min~30h。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2结束后，所述衬底上形成有氢氧化镍纳米片阵列，步骤S3中退火处理的温度最低为200℃，最高不高于氢氧化镍纳米片阵列的熔点。

6.一种甲醛传感器，包括氧化镍纳米片阵列以及形成于所述氧化镍纳米片阵列上的若干电极，其特征在于，所述氧化镍纳米片阵列由权利要求1至5之任意一项所述的方法制得。

7.根据权利要求6所述的甲醛传感器，其特征在于，所述电极包括叉齿电极和/或一字型电极，所述若干电极之间的间距范围为1nm~10cm。

8.根据权利要求6所述的甲醛传感器，其特征在于，所述电极通过气流喷技术打印在所述氧化镍纳米片阵列上，并进行退火处理形成。

9.根据权利要求8所述的甲醛传感器，其特征在于，所述退火处理时的温度范围为10℃~500℃，退火处理时的气体氛围为真空、惰性气体、空气中的一种或几种的组合。

10.根据权利要求6所述的甲醛传感器，其特征在于，所述电极的材质为银。