CN110668490A - 一种具有六棱结构的铈掺杂氧化铟空心盒子的制备方法 - Google Patents

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王�琦
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Abstract

本发明提供了一种具有六棱结构的铈掺杂氧化铟空心盒子制备方法。该制备方法具体包括：以N‑N二甲基甲酰胺,对苯二甲酸，硝酸铈水合物和硝酸铟水合物为原料，经油浴反应、煅烧处理，得到六棱空心盒子结构的氧化铟。多孔结构具有较大的表面积，可以有效吸附更多的氧气和目标气体，空心结构可以有效提高材料的利用率，提高传感性能。因此兼备多孔及空心结构将有助于改善性能。本实验不使用昂贵的表面活性剂，成本比较低，对甲醛气体具有良好的气敏性能，因此在甲醛气体检测方面具有长远的应用前景。

Description

一种具有六棱结构的铈掺杂氧化铟空心盒子的制备方法
技术领域
本发明涉及一种具有六棱结构的铈掺杂氧化铟空心盒子制备方法，属于先进纳米功能材料制备工艺技术领域。
背景技术
日常生活中，在外出行我们又深受工业生产废气、汽车尾气以及PM2.5等气体的危害，在内居家又受到甲醛和笨等有毒气体的影响。因此，无论是出于对环境污染气体检测的急需，还是对保证生活质量和工业安全的渴望，研究和开发高性能的气体传感器具备十分重要的现实意义。随着人们对环保问题的日益重视和对有毒有害气体排放的严格监控，各种功能各异的气体检验和预警装置随之而生，并进一步得到了产业化和商业化。由于半导体气体传感器具有检测灵敏度高、响应恢复快、电路简单、操作简单、元件尺寸较小、价格低廉等特点，被广泛应用于各种气体检测领域。
In2O3具有较大的禁带宽度，能带间隙接近于GaN，在可见光区具有低电阻率、高灵敏度、低工作温度、低吸光率和高红外反射率等优点。影响In2O3纳米材料性能的主要因素是其结构形貌，因此当前，很多研究人员致力于控制In2O3晶体形貌生成的研究，以便以此提高其各方面的性能。近年来，欧美发达国家相继报道了在光电薄膜领域氧化铟纳米材料的应用。目前，研究人员通过气相法、固相法、液相法的纳米材料合成方法制备出了一维、二维、三维In2O3纳米材料。其具体形貌有纳米管、纳米线、纳米棒、立方体和八面体等，被广泛应用于光学、磁学、电子、医疗等领域。为了提高识别功能，除了选择良好的基体材料，通过掺杂、复合和表面修饰进行改性外，设计和制备具有大比表面积、高活性位点密度的多孔和空心结构材料也是受到关注的策略。本发明制备出的氧化铟具有多孔结构，具有良好的通透性，能够促进气体扩散，有利于敏感体利用率的提高。此外，为了提高半导体气体传感器的灵敏度，人们常采用增大材料表面积的方法，纳米化就是常用的一种方法。纳米化通过增大材料的表面积，使粒子表面势垒的高度与厚度以及晶粒有效电阻发生显著变化，表面活性大大增加，使材料对气体的吸附、脱附以及氧化还原反应能在更低的温度下进行，降低了工作温度，缩短了响应时间，提高了气体检测的浓度范围。我国对于In2O3纳米材料尤其是其结构形貌的研究正处于起步阶段，但是由于制备方法具有操作复杂，生产成本高等缺点，这使得研究成果很难大范围地投入到实际工业生产中。此外，由于实验设备和生产技术的制约，目前人们对于In2O3纳米材料的探究尤其是气敏性能方面的探究还不是很深入。研究人员亟待以更为系统全面的角度来研究In2O3纳米材料的结构形貌特征和功能性质特征。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有技术的不足，提供一种具有六棱结构的铈掺杂氧化铟空心盒子的制备方法。具有成本低，生产工艺简单，产率高，无环境污染，易于工业化大规模生产的特点。所得具有多孔结构的氧化铟气敏材料的灵敏度得到大幅提高，可用于气体传感器等领域。实现本发明目的的技术方案是：一种具有六棱结构的铈掺杂氧化铟空心盒子的制备方法，其特征在于：以硝酸铟，硝酸铈和对苯二甲酸为原料，经水热反应、煅烧处理，得到具有空心盒子结构的铈掺杂氧化铟盒子。本方法生产工艺简单，不使用昂贵的表面活性剂，成本比较低，所得氧化铟可作为气敏材料，由于具有空心结构。对甲醛气体具有良好的气敏性能，因此在甲醛气体检测方面具有长远的应用前景。具体合成步骤如下：
(1)先用量筒取160 mL的DMF于1个洁净并干燥的250 mL烧杯(1号)中,并放入一个干净的磁转子；
(2)用量筒取200 mL DMF倒入另一个干净并干燥的250 mL的烧杯(2号);
(3)用电子分析天平准确称量200 mg六水合硝酸铈,加入到烧杯(2号)中；
(4) 用电子分析天平准确称量0.05-0.08 g的对苯二甲酸和0.05-0.08 g的硝酸铟水合物倒入到装有DMF的烧杯(1号)中，放到磁力搅拌器上搅拌，用移液枪从烧杯(2号)中取0.175-2.8 mL溶液于烧杯(1号)中；
(5) 将溶质完全溶解的烧杯放入油浴锅中进行油浴加热，条件设定为120 ℃，待升温到120 ℃后保温30-50 min；
(6) 加热结束后立马取出烧杯，静置放冷，将沉淀洗涤；
(7) 将烘干后的样品均匀分散在干燥的坩埚中，再放入箱式马弗炉中煅烧。其中，先控制升温速率为1分钟一度直到400-500 ºC，保温3 h，降温制度是2~3 ºC/min的速率，煅烧结束，即可得到淡黄色粉末状样品。
附图说明
图1为具有六棱结构的铈掺杂氧化铟空心盒子的SEM图谱。
图2为具有六棱结构的铈掺杂氧化铟空心盒子的TEM图。
图3为不同含量铈掺杂量的具有六棱结构的氧化铟空心盒子的气敏性能随温度变化图。
图4为纯氧化铟空心盒子和1 wt%铈掺杂的氧化铟空心盒子的EPS图。
图5为纯氧化铟空心盒子和1 wt%铈掺杂的氧化铟空心盒子的对不同气体选择性的气敏图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例做详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
(1)先用量筒取160 mL的DMF于1个洁净并干燥的250 mL烧杯(1号)中,并放入一个干净的磁转子；
(2)用量筒取200 mL DMF倒入另一个干净并干燥的250 mL的烧杯(2号);
(3)用电子分析天平准确称量200 mg六水合硝酸铈,加入到烧杯(2号)中；
(4) 用电子分析天平准确称量0.073 g的对苯二甲酸和0.070 g的硝酸铟水合物倒入到装有DMF的烧杯(1号)中，放到磁力搅拌器上搅拌，用移液枪从烧杯(2号)中取0.7 mL溶液于烧杯(1号)中；
(5) 将溶质完全溶解的烧杯放入油浴锅中进行油浴加热，条件设定为120 ℃，待升温到120 ℃后保温30 min；
(6) 加热结束后立马取出烧杯，静置放冷，将沉淀洗涤；
(7) 将烘干后的样品均匀分散在干燥的坩埚中，再放入箱式马弗炉中煅烧。其中，先控制升温速率为1分钟一度直到400 ºC，保温3 h，降温制度是2 ºC/min的速率，煅烧结束，即可得到淡黄色粉末状样品。
实施例2：
(1)先用量筒取160 mL的DMF于1个洁净并干燥的250 mL烧杯(1号)中,并放入一个干净的磁转子；
(2)用量筒取200 mL DMF倒入另一个干净并干燥的250 mL的烧杯(2号);
(3)用电子分析天平准确称量200 mg六水合硝酸铈,加入到烧杯(2号)中；
(4) 用电子分析天平准确称量0.07 g的对苯二甲酸和0.08 g的硝酸铟水合物倒入到装有DMF的烧杯(1号)中，放到磁力搅拌器上搅拌，用移液枪从烧杯(2号)中取0.175mL溶液于烧杯(1号)中；
(5) 将溶质完全溶解的烧杯放入油浴锅中进行油浴加热，条件设定为120 ℃，待升温到120 ℃后保温50 min；
(6) 加热结束后立马取出烧杯，静置放冷，将沉淀洗涤；
(7) 将烘干后的样品均匀分散在干燥的坩埚中，再放入箱式马弗炉中煅烧。其中，先控制升温速率为1分钟一度直到500 ºC，保温3 h，降温制度是3 ºC/min的速率，煅烧结束，即可得到淡黄色粉末状样品。
实施例3：
(1)先用量筒取160 mL的DMF于1个洁净并干燥的250 mL烧杯(1号)中,并放入一个干净的磁转子；
(2)用量筒取200 mL DMF倒入另一个干净并干燥的250 mL的烧杯(2号);
(3)用电子分析天平准确称量200 mg六水合硝酸铈,加入到烧杯(2号)中；
(4) 用电子分析天平准确称量0.083 g的对苯二甲酸和0.050 g的硝酸铟水合物倒入到装有DMF的烧杯(1号)中，放到磁力搅拌器上搅拌，用移液枪从烧杯(2号)中取2 mL溶液于烧杯(1号)中；
(5) 将溶质完全溶解的烧杯放入油浴锅中进行油浴加热，条件设定为120 ℃，待升温到120 ℃后保温30 min；
(6) 加热结束后立马取出烧杯，静置放冷，将沉淀洗涤；
(7) 将烘干后的样品均匀分散在干燥的坩埚中，再放入箱式马弗炉中煅烧。其中，先控制升温速率为1分钟一度直到450 ºC，保温5 h，降温制度是2 ºC/min的速率，煅烧结束，即可得到淡黄色粉末状样品。
实施例4：
(1)先用量筒取160 mL的DMF于1个洁净并干燥的250 mL烧杯(1号)中,并放入一个干净的磁转子；
(2)用量筒取200 mL DMF倒入另一个干净并干燥的250 mL的烧杯(2号);
(3)用电子分析天平准确称量200 mg六水合硝酸铈,加入到烧杯(2号)中；
(4) 用电子分析天平准确称量0.053 g的对苯二甲酸和0.080 g的硝酸铟水合物倒入到装有DMF的烧杯(1号)中，放到磁力搅拌器上搅拌，用移液枪从烧杯(2号)中取1 mL溶液于烧杯(1号)中；
(5) 将溶质完全溶解的烧杯放入油浴锅中进行油浴加热，条件设定为120 ℃，待升温到120 ℃后保温30 min；
(6) 加热结束后立马取出烧杯，静置放冷，将沉淀洗涤；
(7) 将烘干后的样品均匀分散在干燥的坩埚中，再放入箱式马弗炉中煅烧。其中，先控制升温速率为1分钟一度直到450 ºC，保温5 h，降温制度是2 ºC/min的速率，煅烧结束，即可得到淡黄色粉末状样品。

Claims (1)

1.一种具有六棱结构的铈掺杂氧化铟空心盒子的制备方法，具体合成步骤如下：
(1)先用量筒取160 mL的DMF于1个洁净并干燥的250 mL烧杯(1号)中,并放入一个干净的磁转子；
(2)用量筒取200 mL DMF倒入另一个干净并干燥的250 mL的烧杯(2号);
(3)用电子分析天平准确称量200 mg六水合硝酸铈,加入到烧杯(2号)中；
(4) 用电子分析天平准确称量0.05-0.08 g的对苯二甲酸和0.05-0.08 g的硝酸铟水合物倒入到装有DMF的烧杯(1号)中，放到磁力搅拌器上搅拌，用移液枪从烧杯(2号)中取0.175-2.8 mL溶液于烧杯(1号)中；
(5) 将溶质完全溶解的烧杯放入油浴锅中进行油浴加热，条件设定为120 ℃，待升温到120 ℃后保温30-50 min；
(6) 加热结束后立马取出烧杯，静置放冷，将沉淀洗涤；
(7) 将烘干后的样品均匀分散在干燥的坩埚中，再放入箱式马弗炉中煅烧，其中，先控制升温速率为1分钟一度直到400-500 ºC，保温3 h，降温制度是2~3 ºC/min的速率，煅烧结束，即可得到淡黄色粉末状样品。
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