CN105668637A - 一种氧化钨纳米棒束结构气敏材料制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氧化钨纳米棒束结构气敏材料制备方法，具有以下步骤：(1)陶瓷片基底的清洗；(2)配置六氯化钨反应溶液；(3)合成氧化钨纳米棒束结构；(4)分离、干燥；(5)制得氧化钨纳米棒束基敏感材料浆料；(6)气敏传感器元件的热处理。本发明采用溶剂热法在陶瓷片基底上制备了三氧化钨纳米棒束结构，提供了一种具有高灵敏度、优良的稳定性和易于微电子工艺技术兼容的可在低温下工作的氮氧化物气敏传感器。是一种制备具有较大的比表面积和较大的表面活性的氧化钨纳米棒束结构的方法。基于该氧化钨纳米棒束结构的气敏传感器可以实现对亚ppm至ppb级的二氧化氮气体的高灵敏度、高选择性的快速响应。

Description

一种氧化钨纳米棒束结构气敏材料制备方法
技术领域
本发明涉及气敏传感器技术领域，特别涉及一种氧化钨纳米棒束结构气敏材料制备方法。
背景技术
氮氧化物是大气污染中典型的有毒有害气体，能够导致酸雨和光化学烟雾等危害，给人们的生活造成了严重的破坏。为了遏制大气环境的进一步恶化，实时监测大气中的氮氧化物的含量已经迫在眉睫。而要实现准确检测，就需要一些高灵敏度、高选择性的气体传感器的支持。
氧化钨是一种宽禁带的N型半导体材料，它在气敏传感器领域有着广泛的应用，可广泛应用于各种有毒有害气体的检测。然而和大多数金属氧化物半导体类似，氧化钨的工作温度较高(200℃以上)，这极大地增加了传感器的功耗。为此，降低氧化钨气敏材料的工作温度成为了科技人员研究的重点。研究表明，一维氧化钨纳米棒束结构具有较大的比表面积、表面活性以及较强的气体吸附能力，这能进一步提高灵敏度的同时有效的较低工作温度。
随着材料科学的进步和仪器制造的日臻成熟，很多制备方法被用于合成不同形貌的纳米材料。例如，磁控溅射法、热蒸发法等。但是，上述合成方法存在繁琐的操作步骤、大量的能源消耗和其它苛刻试验条件等一系列的问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种氧化钨纳米棒束结构气敏材料制备方法，克服现有技术中氧化钨气敏传感器对氮氧化物气体的敏感性低、工作温度较高的问题。
本发明的技术方案是：一种氧化钨纳米棒束结构气敏材料制备方法，包括以下步骤：
(1)采用陶瓷片作为基底，将陶瓷片基底依次放入丙酮溶剂、无水乙醇中超声振荡15-20min，除去表面有机物杂质。随后将陶瓷片基底放入去离子水中清洗，冲洗完成后放入无水乙醇中，并置于红外烘箱中烘干；
(2)配置六氯化钨反应溶液，将1.19g六氯化钨溶于60ml无水乙醇中，磁力搅拌至全部溶解，形成黄色的溶液。之后在黄色溶液中加入5ml去离子水，最终形成蓝色的六氯化钨溶液；
(3)将步骤(2)中制备的六氯化钨溶液转移到反应釜中，密封，然后将反应釜置于恒温干燥箱中，在反应温度200℃下在氧化铝基底表面合成氧化钨纳米棒束结构，反应时间为5-11h，反应完毕后，将反应釜自然冷却到室温；
(4)将步骤(3)中溶剂热产物离心分离，经去离子水和无水乙醇反复洗涤后，然后在60-80℃的真空干燥箱中干燥8-10h；
(5)将步骤(4)中获得的氧化钨纳米棒束粉末与体积比为1：2的无水乙醇和松油醇混合，超声混合2h，制得氧化钨纳米棒束基敏感材料浆料；
(6)将步骤(5)所述的氧化钨纳米棒束基敏感材料浆料涂覆在覆有叉指电极的氧化铝基片上。之后将其置于马弗炉中进行热处理，热处理温度为300-400℃，保温时间为2h，升温速率为2-5℃/min，用以增加氧化钨纳米棒束的结晶性。
本发明的有益效果为：本发明采用溶剂热法在陶瓷片基底上制备了三氧化钨纳米棒束结构，提供了一种具有高灵敏度、优良的稳定性和易于微电子工艺技术兼容的可在低温下工作的氮氧化物气敏传感器。是一种制备具有较大的比表面积和较大的表面活性的氧化钨纳米棒束结构的方法。基于该氧化钨纳米棒束结构的气敏传感器可以实现对亚ppm至ppb级的二氧化氮气体的高灵敏度、高选择性的快速响应。
附图说明
图1是实施例1所制备的氧化钨纳米棒束的扫描电子显微镜照片，标尺为100nm；
图2是实施例1所制备的氧化钨纳米棒束的XRD图谱；
图3是实施例1所制备的氧化钨纳米棒束结构气敏传感器元件在不同工作温度下对1ppmNO2气体的对应关系图；
图4是实施例1所制备的氧化钨纳米棒束结构气敏传感器元件在最佳工作温度下对0.1-3ppmNO2气体的动态响应曲线；
图5是实施例1所制备的氧化钨纳米棒束结构气敏传感器元件在最佳工作温度下的灵敏度与NO2气体浓度的对应关系图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细说明。
本发明所用原料均采用市售化学纯试剂。
实施例1
(1)采用陶瓷片作为基底，将陶瓷片基底依次放入丙酮溶剂、无水乙醇中超声振荡15-20min，除去表面有机物杂质。随后将陶瓷片基底放入去离子水中清洗，冲洗完成后放入无水乙醇中，并置于红外烘箱中烘干；
(2)配置六氯化钨反应溶液，将1.19g六氯化钨溶于60ml无水乙醇中，磁力搅拌至全部溶解，形成黄色的溶液。之后在黄色溶液中加入5ml去离子水，最终形成蓝色的六氯化钨溶液；
(3)将步骤(2)中制备的六氯化钨溶液转移到反应釜中，密封，然后将反应釜置于恒温干燥箱中，在反应温度200℃下在氧化铝基底表面合成氧化钨纳米棒束结构，反应时间为7h，反应完毕后，将反应釜自然冷却到室温；
(4)将步骤(3)中溶剂热产物离心分离，经去离子水和无水乙醇反复洗涤后，然后在80℃的真空干燥箱中干燥9h；
(5)将步骤(4)中获得的氧化钨纳米棒束粉末与体积比为1：2的无水乙醇和松油醇混合，超声混合2h，值得氧化钨纳米棒束基敏感材料浆料。
(6)将步骤(5)所述的氧化钨纳米棒束基敏感材料浆料涂覆在覆有叉指电极的氧化铝基片上。之后将其置于马弗炉中进行热处理，热处理温度为350℃，保温时间为2h，升温速率为2.5℃/min，用以增加氧化钨纳米棒束的结晶性；
实施例1所制备的氧化钨纳米片的表面形貌的电子显微镜分析结果如图1所示。会在氧化铝基底上形成平均直径为820nm的纳米棒束。
实施例1所制备的氧化钨纳米棒束的X射线衍射分析结果如图2所示。XRD谱图显示氧化钨纳米棒束的晶相为单斜相的WO3，并具有良好的结晶性。
实施例1制得的氧化钨纳米棒束结构气敏传感器元件在不同工作温度下条件下对1ppmNO2气体的对应关系图如图3所示，可以看出氧化钨纳米棒束结构传感器的最佳工作温度为150℃。
实施例1制得的氧化钨纳米棒束结构气敏传感器元件在最佳工作温度下对0.1～3ppm的NO2气体的动态响应曲线如图4所示。其中对0.1、0.5、1、2、3ppmNO2气体的灵敏度分别为6.17、17.83、28.11、39.66和61.04。其在最佳工作温度下的灵敏度与NO2气体浓度的对应关系示意图如图5所示。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于:步骤(3)中的溶剂热的反应时间为5h，所制得的氧化钨纳米棒束结构气敏传感器元件在最佳工作温度下对lppmNO2气体的灵敏度为15.76。
实施例3
本实施例与实施例1的不同之处在于:步骤(3)中的溶剂热的反应时间为9h，所制得的氧化钨纳米棒束结构气敏传感器元件在最佳工作温度下对lppmNO2气体的灵敏度为20.14。
实施例4
本实施例与实施例1的不同之处在于:步骤(3)中的溶剂热的反应时间为11h，所制得的氧化钨纳米棒束结构气敏传感器元件在最佳工作温度下对lppmNO2气体的灵敏度为11.68。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种氧化钨纳米棒束结构气敏材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用陶瓷片作为基底，将陶瓷片基底依次放入丙酮溶剂、无水乙醇中超声振荡15-20min，除去表面有机物杂质。随后将陶瓷片基底放入去离子水中清洗，冲洗完成后放入无水乙醇中，并置于红外烘箱中烘干；
(2)配置六氯化钨反应溶液，将1.19g六氯化钨溶于60ml无水乙醇中，磁力搅拌至全部溶解，形成黄色的溶液；之后在黄色溶液中加入5ml去离子水，最终形成蓝色的六氯化钨溶液；
(3)将步骤(2)中制备的六氯化钨溶液转移到反应釜中，密封，然后将反应釜置于恒温干燥箱中，在反应温度200℃下在氧化铝基底表面合成氧化钨纳米棒束结构，反应时间为5-11h，反应完毕后，将反应釜自然冷却到室温；
(4)将步骤(3)中溶剂热产物离心分离，经去离子水和无水乙醇反复洗涤后，然后在60-80℃的真空干燥箱中干燥8-10h；
(5)将步骤(4)中获得的氧化钨纳米棒束粉末与体积比为1：2的无水乙醇和松油醇混合，超声混合2h，制得氧化钨纳米棒束基敏感材料浆料；
(6)将步骤(5)所述的氧化钨纳米棒束基敏感材料浆料涂覆在覆有叉指电极的氧化铝基片上；之后将其置于马弗炉中进行热处理，用以增加氧化钨纳米棒束的结晶性。
2.根据权利要求1所述氧化钨纳米棒束结构气敏材料制备方法，其特征在于，所述步骤(6)热处理温度为300-400℃，保温时间为2h，升温速率为2-5℃/min。
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