CN109975369A - 一种三维多孔In2O3纳米立方面包气敏材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及新材料技术领域，具体涉及一种三维多孔In₂O₃纳米立方面包气敏材料及其制备方法。其解决了目前In₂O₃作为气敏材料因热诱导生长导致的颗粒聚集和晶粒长大，以及传统的敏感膜转移工艺带来的薄膜脱落，导致气敏特性衰退的问题。本发明采用的制备方法为（1）Ag叉指电极片的清洗；（2）生长种子层；（3）生长In₂O₃。

Description

一种三维多孔In2O3纳米立方面包气敏材料的制备方法

技术领域

本发明涉及新材料技术领域，具体涉及一种三维多孔In₂O₃纳米立方面包气敏材料及其制备方法。

背景技术

In₂O₃薄膜相较于其他的氧化物半导体具有更高的电子迁移率和载流子浓度，其电子迁移率高达75cm²/Vs。因此，In₂O₃是最近新兴的一种气体敏感材料。In₂O₃的气敏机制是由于目标气体吸附而引起的电导率的变化，表面气体的解吸，使得传感器恢复至初始电阻。因此，气体传感器的性能很大程度上取决于In₂O₃的微观形貌、比表面积、孔隙率等因素。研究者已经成功合成微球状，纳米片状，珊瑚状，刚玉状，纳米花状和纳米纤维等不同形貌的In₂O₃气敏材料。但是，由于金属氧化物颗粒存在热诱导生长导致颗粒聚集和晶粒长大, 从而缺乏长期稳定性；同时,传统的气敏膜的转移制备工艺使得界面处存在较大的接触电阻,甚至易出现敏感材料从基底剥落从而导致器件失效问题。因此，设计一种种子层-生长液工艺，让敏感材料像种子一样扎根生长在衬底表面，以解决敏感材料与电极间的接触问题；制备一种具有微观三维结构的高比表面积多孔In₂O₃材料以解决颗粒团聚和晶粒长大问题。

在电极表面生长具有微观三维结构的In₂O₃纳米面包气敏材料，既能赋予气敏材料超高的比表面积，又可实现气敏材料与电极之间的高度结合，进而提高其气敏特性。目前用于制备In₂O₃纳米材料的方法主要有水热法，溶剂热，热蒸发，静电纺丝法，溶胶-凝胶法等。其中水热法具有操作简单安全，生产过程绿色环保的特点，使得水热法称为制备金属氧化物纳米材料最简单有效的方法，但是这种方法的缺点是制备的材料大多为粉末，这些粉末需要经过制备浆料、涂刷、烧结等工艺转移到衬底表面，繁琐的工艺导致薄膜厚度不均匀，在烧结过程中易出现裂纹甚至脱落现象，导致气敏特性衰退。

发明内容

本发明为了解决目前In₂O₃作为气敏材料因热诱导生长导致的颗粒聚集和晶粒长大，以及传统的敏感膜转移工艺带来的薄膜脱落，导致气敏特性衰退的问题，本发明提供了一种三维多孔In₂O₃纳米立方面包气敏材料及其制备方法。

为解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：一种三维多孔In2O3纳米立方面包气敏材料的制备方法，其特征在于：所述的制备方法的步骤为：

1）Ag叉指电极片的清洗：将电极片分别置于丙酮和酒精中超声处理15min，再通过去离子水超声清洗30min；

2）生长种子层：称取0.1-0.3g In(NO₃)₃加入到5ml的无水乙醇中，超声搅拌30min，得到种子层溶液，将种子层溶液利用喷枪均匀的喷涂到清洗过的电极片上60℃烘干，最后将电极片置于马弗炉中500-700℃煅烧90min；

3）生长In₂O₃: 称取0.5-0.8g In(NO₃)₃和1.0-3.0g的NH₄F和0.2g尿素置于50ml去离子水中，将混合溶液分别进行磁子搅拌和超声处理，时间均为15min，得到透明的生长液，将生长液倒入不锈钢反应釜中，然后将长有种子层的电极片贴着反应釜内衬的内壁垂直放置，再将反应釜置于干燥箱中80-140℃保温5h，待反应结束后取出电极片，用去离子水将电极片表面冲洗干净，50-80℃烘干，然后将电极片置于马弗炉中500-700℃保温90min，得到三维多孔In₂O₃纳米立方面包气敏材料。

上述制备方法制得的三维多孔In₂O₃纳米立方“面包”气敏材料。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1、本发明方法制备的三维多孔In₂O₃纳米立方面包气敏材料在避免晶粒长大和颗粒团聚的同时还能保持高孔隙率，既赋予了它极大的活性比表面积又有效促进目标气体分子在敏感材料表面的扩散；

2、本发明在电极衬底上生长的三维多孔In₂O₃纳米立方面包气敏材料与基底结合牢固，保证了电极与In₂O₃气敏材料的电接触并加快其电子传输特性，因此，能提高In₂O₃的气敏特性。

附图说明

图1为实施例2 所制备的In₂O₃纳米立方面包SEM 图；

图2 为三维多孔In₂O₃纳米立方面包在200℃时对不同浓度的NO₂的动态响应图；

图3 为三维多孔In₂O₃纳米立方面包在200℃对10ppm NO₂的响应-恢复时间；

图4 为三维多孔In₂O₃纳米立方面包在200℃下对50ppm NO₂的循环测试曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

一种三维多孔In2O3纳米立方面包气敏材料的制备方法的步骤为：

1、Ag叉指电极片的清洗：将电极片分别置于丙酮和酒精中超声处理15min，再用去离子水中超声清洗30min；

2、生长种子层：称取0.3g In(NO₃)₃加入到5ml的无水乙醇中，超声搅拌30min，得到种子层溶液，将种子层溶液利用喷枪均匀的喷涂到清洗过的电极片上60℃烘干，最后将电极片置于马弗炉中550℃煅烧90min；

3、生长In₂O₃：称取0.8g In(NO₃)₃，2.4gNH₄F和0.2g尿素置于50ml去离子水中，将混合溶液分别进行磁子搅拌和超声处理，时间均为15min，得到透明的生长液，将生长液倒入不锈钢反应釜中，然后将长有种子层的电极片贴着反应釜内衬的内壁垂直放置，再将反应釜置于干燥箱中110℃保温5h，待反应结束后取出电极片，用去离子水将电极片表面冲洗干净，60℃烘干，然后将电极片置于马弗炉中550℃保温90min，得到三维多孔In₂O₃纳米立方面包气敏材料。

实施例2：

一种三维多孔In2O3纳米立方面包气敏材料的制备方法的步骤为：

1、Ag叉指电极片的清洗：将电极片分别置于丙酮和酒精中超声处理15min，再用去离子水中超声清洗30min；

2、生长种子层：称取0.1g In(NO₃)₃加入到5ml的无水乙醇中，超声搅拌30min，得到种子层溶液，将种子层溶液利用喷枪均匀的喷涂到清洗过的电极片上60℃烘干，最后将电极片置于马弗炉中600℃煅烧90min；

3、生长In₂O₃: 称取0.6g In(NO₃)₃，1.8g NH₄F和0.2g尿素置于50ml去离子水中，将混合溶液分别进行磁子搅拌和超声处理，时间均为15min，得到透明的生长液，将生长液倒入不锈钢反应釜中，然后将长有种子层的电极片贴着反应釜内衬的内壁垂直放置，再将反应釜置于干燥箱中120℃保温5h，待反应结束后取出电极片，用去离子水将电极片表面冲洗干净，70℃烘干，然后将电极片置于马弗炉中600℃保温90min，得到三维多孔In₂O₃纳米立方面包气敏材料。

实施例3：

一种三维多孔In2O3纳米立方面包气敏材料的制备方法的步骤为：

1、Ag叉指电极片的清洗：将电极片分别置于丙酮和酒精中超声处理15min，再用去离子水中超声清洗30min；

2、生长种子层：称取0.2g In(NO₃)₃加入到5ml的无水乙醇中，超声搅拌30min，得到种子层溶液，将种子层溶液利用喷枪均匀的喷涂到清洗过的电极片上60℃烘干，最后将电极片置于马弗炉中650℃煅烧90min；

3、生长In₂O₃: 称取0.7g In(NO₃)₃，2.1g NH₄F和0.2g尿素置于50ml去离子水中，将混合溶液分别进行磁子搅拌和超声处理，时间均为15min，得到透明的生长液，将生长液倒入不锈钢反应釜中，然后将长有种子层的电极片贴着反应釜内衬的内壁垂直放置，再将反应釜置于干燥箱中130℃保温5h，待反应结束后取出电极片，用去离子水将电极片表面冲洗干净，80℃烘干，然后将电极片置于马弗炉中600℃保温90min，得到三维多孔In₂O₃纳米立方面包气敏材料。

以实施例2得到的三维多孔In₂O₃纳米立方面包气敏材料，进行相关实验，结果如下：

（a）三维多孔In₂O₃纳米立方面包气敏材料SEM图：

参见图1，这是最佳的实施例2制备的产物所呈现的三维多孔立方结构，在纳米面包的表面均匀分布着大量的孔隙结构以及少量的裂纹，表面十分整洁无任何杂质。

（b）三维多孔In₂O₃纳米立方面包气敏响应特性：

参见图2，当温度在200℃时，实施例2制备的三维多孔In₂O₃纳米立方面包对5 ppm、10ppm、 25ppm、50ppmNO₂的响应值分别为59、178、340和493。这跟In₂O₃纳米立方面包的三维多孔与裂纹结构有直接关系，多孔结构使其具有极大的比表面积。

（c）三维多孔In₂O₃纳米立方面包气敏响应-恢复时间曲线图：

参见图3，实施例2制备的三维多孔In₂O₃纳米立方面包在工作温度为200℃时，对10ppm的NO₂的响应-恢复时间分别为3s和5s。

（d）实施例2制备的三维多孔In₂O₃纳米立方面包对50ppm NO₂的气敏循环稳定曲线图。

参见图4，实施例2制备的三维多孔In₂O₃纳米立方面包在工作温度为200℃时，对50ppm的NO₂ 4个周期的气敏响应值均在493左右，且每次测试完后均可以恢复至初始状态，因此面包状In₂O₃对NO₂具有很好的气敏检测稳定性，有利于生产实际的推广使用。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种三维多孔In₂O₃纳米立方面包气敏材料的制备方法，其特征在于：所述的制备方法的步骤为：

1）Ag叉指电极片的清洗：将电极片分别置于丙酮和酒精中超声处理15min，再通过去离子水超声清洗30min；

2）生长种子层：称取0.1-0.3g In(NO₃)₃加入到5ml的无水乙醇中，超声搅拌30min，得到种子层溶液，将种子层溶液利用喷枪均匀的喷涂到清洗过的电极片上60℃烘干，最后将电极片置于马弗炉中500-700℃煅烧90min；

3）生长In₂O₃: 称取0.5-0.8g In(NO₃)₃和1.0-3.0g的NH₄F和0.2g尿素置于50ml去离子水中，将混合溶液分别进行磁子搅拌和超声处理，时间均为15min，得到透明的生长液，将生长液倒入不锈钢反应釜中，然后将长有种子层的电极片贴着反应釜内衬的内壁垂直放置，再将反应釜置于干燥箱中80-140℃保温5h，待反应结束后取出电极片，用去离子水将电极片表面冲洗干净，50-80℃烘干，然后将电极片置于马弗炉中500-700℃保温90min，得到三维多孔In₂O₃纳米立方面包气敏材料。

2.如权利要求1所述的制备方法制得的三维多孔In₂O₃纳米立方面包气敏材料。