CN113552184A - 一种In2O3(ZnO)19基复合纳米管材料及其制备方法和气敏检测NO2中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种In2O3(ZnO)19基复合纳米管材料及其制备方法和气敏检测NO2中的应用，先采用静电纺丝的方法制备In(NO3)3–PVP纳米纤维，再用溶剂热法通过六水合硝酸锌提供的锌源以In(NO3)3–PVP纳米纤维为模板合成具有n‑n异质结中空管状结构的In2O3(ZnO)19基复合纳米纤维。本发明制备方法简单，所制备的材料为具有n‑n异质结结构的纳米管，有利于气体的吸附和气敏反应的进行，在室温紫外光照下对NO2气体具有高的响应值和高选择性，紫外光照提高了材料的气敏性能，室温工作避免了高温工作带来的安全隐患、额外能耗及气敏材料团聚现象，有利于传感器的微型化和商业化应用，在气敏传感器领域有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于气体传感器技术领域，具体涉及一种用于室温紫外光照下探测NO2气体的In2O3(ZnO)19基(In2O3-In2O3(ZnO)19)复合纳米管材料及其制备方法。
背景技术
NO2是环境主要污染物之一，可引发酸雨和造成光化学烟雾，并且NO2本身有毒。即使1ppm低浓度的NO2也会对人的上呼吸道造成损害。目前,最常用的NO2传感器是基于金属氧化物的电阻式半导体气体传感器。In2O3是一种宽禁带半导体材料，具有低电阻和高化学稳定性等特性，在探测NO2气体领域具有重要的应用。但目前成分单一的半导体金属氧化物NO2气体传感器仍存在工作温度高和响应值低的问题。高的工作温度不仅增加了安全隐患和额外能耗，而且产生气敏材料团聚现象，导致器件性能的退化，这些都不利于传感器的微型化和商业化。异质结的形成可在材料界面形成势垒，激光照射可以有效改变异质结势垒的高度，促进载流子的产生和传输，实现常温下的气体检测。
Ehsan Espid等(Development of highly sensitive ZnO/In2O3 composite gassensor activated by UV-LED)利用共沉淀法制备了ZnO/In2O3半导体氧化物，在室温紫外光照下对5ppm NO2响应值达到2.21。Chaohan Han等(Construction of In2O3/ZnO yolk-shell nanofibers for room-temperature NO2 detection under UV illumination)利用静电纺丝、水热和原子层沉积的方法在In2O3纳米线外层包裹ZnO层，这种具有yolk-shell结构的In2O3/ZnO纳米纤维材料展现出增强的气敏性能，在室温紫外光照下对1ppm NO2的响应值达到6.0。Xiao Liang等(Effect of resonant tunneling modulation on ZnO/In2O3heterojunction nanocomposite in efficient detection of NO2 gas at roomtemperature)利用超声波化学反应和高温退火法制备了负载有In2O3纳米颗粒的ZnO纳米片，在室温蓝紫激光照射下对10ppm NO2响应达到29.1。
与单一In2O3和ZnO基气敏传感器相比，这些异质结的形成和激光照射增强了传感器在室温对NO2的响应，但其响应值仍然较低。材料的低响应值不利于其商业化大规模应用。
In2O3(ZnO)k(k为正整数)具有带隙宽、电导率高、热稳定性好等特点，作为一种热电材料近年来受到了广泛的关注。该系统中的化合物继承了In2O3、ZnO的一些特性，例如：其与纯ZnO相比具有更多的载流子，具有与薄膜形式的纯In2O3相似的导电性；同时与纯In2O3相比性质更为稳定，所含的In明显更少，从而降低了成本；与传统氧化铟锌相比具有出色的高温稳定性。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用静电纺丝及溶剂热法合成具有n-n异质结管状中空结构的In2O3(ZnO)19基复合纳米管材料，并为该材料提供一种制备方法和新用途。
针对上述目的，本发明的In2O3(ZnO)19基复合纳米管材料由下述步骤制备得到：
步骤1：将硝酸铟分散于N,N-二甲基甲酰胺和无水乙醇的混合溶液中，搅拌至硝酸铟完全溶解，然后加入聚乙烯吡咯烷酮，室温搅拌，得到透明粘稠状前驱液；利用此前驱液采用静电纺丝法制备In(NO3)3–PVP纳米纤维；静电纺丝过程结束后，将纺丝样品放入管式炉中150～250℃保温1～3h，得到In(NO3)3–PVP纳米纤维模板。
步骤2：将In(NO3)3–PVP纳米纤维模板和六水合硝酸锌加入到无水乙醇中，室温搅拌30～50min，然后加入尿素，继续搅拌20～40min，将所得溶液转移到聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，在100～120℃下加热18～24h，反应结束后离心、洗涤、干燥，最后400～600℃保温90～150min，得到In2O3(ZnO)19基复合纳米管材料。
上述步骤1中，优选所述前驱液中硝酸铟的浓度为0.25～0.4mmol/L、聚乙烯吡咯烷酮的浓度为6×10-5～9×10-5mmol/L，所述N,N-二甲基甲酰胺和无水乙醇的体积比为3～5:1。
上述步骤1中，在静电纺丝过程中，优选控制前驱液流速为0.8～1.2mL/h，注射器针尖与铝箔收集器的距离为13～17cm，正压为15～18kV，负高压为-1～-2kV。
上述步骤1中，进一步优选将纺丝样品放入管式炉中，以3～5℃/min升温至190～210℃，保温2h。
上述步骤2中，优选所述In(NO3)3–PVP纳米纤维模板和六水合硝酸锌、尿素的质量比1:8～12:18～22。
上述步骤2中，进一步优选将所得溶液转移到聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，在110℃下加热20h。
上述步骤2中，进一步优选最后以8～12℃/min升温至500℃保温120min。
本发明In2O3(ZnO)19基复合纳米管材料可用于气敏检测NO2。
本发明的有益效果如下：
本发明使用静电纺丝的方法制备In(NO3)3–PVP纳米纤维，再用溶剂热的方法通过六水合硝酸锌提供的锌源以In(NO3)3–PVP纳米纤维为模板合成具有n-n异质结中空管状结构的In2O3(ZnO)19基复合纳米纤维。本发明制备方法简单，所制备的材料为具有n-n异质结结构的纳米管，有利于气体的吸附和气敏反应的进行，在室温紫外光照下对NO2气体具有高的响应值和高选择性，紫外光照提高了材料的气敏性能，室温工作避免了高温工作带来的安全隐患、额外能耗及气敏材料团聚现象，有利于传感器的微型化和商业化应用，在气敏传感器领域有广阔的应用前景，同时为其它超晶格材料及其复合材料在气敏领域的应用提供了有益的参考。
附图说明
图1是实施例1制备的In2O3(ZnO)19基复合纳米管材料的XRD图谱。
图2是对比例1所制备的产物的XRD图谱。
图3是实施例1制备的In2O3(ZnO)19基复合纳米管材料(a、b)和对比例1制备的In2O3多孔纳米纤维(c、d)的扫描电镜图。
图4是实施例1制备的In2O3(ZnO)19基复合纳米管材料的透射电镜(a)和高倍透射电镜(b、c)图。
图5是实施例1制备的In2O3(ZnO)19基复合纳米管材料和对比例1制备的In2O3多孔纳米纤维在室温紫外光照下对500ppb NO2的气敏响应曲线。
图6是实施例1制备的In2O3(ZnO)19基复合纳米管材料和对比例1制备的In2O3多孔纳米纤维在室温紫外光照下对不同浓度NO2气体的响应值对比图。
图7是实施例1制备的In2O3(ZnO)19基复合纳米管材料和对比例1制备的In2O3多孔纳米纤维在室温紫外光照下对NO2气体及干扰气体的响应值对比图，其中NO2气体的浓度为500ppb，干扰气体的浓度为500ppm。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明的保护范围不仅限于这些实施例。
实施例1
步骤1：将1g硝酸铟分散于8mL N,N-二甲基甲酰胺和2mL无水乙醇的混合溶液中，并用磁力搅拌器搅拌直至硝酸铟完全溶解，然后加入1g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，室温搅拌10小时，得到透明粘稠状前驱液。利用此前驱液采用静电纺丝法制备In(NO3)3–PVP纳米纤维。在静电纺丝过程中，控制前驱液流速为1mL/h，注射器针尖与铝箔收集器的距离为15cm，正压为18kV，负高压为-2kV。在静电纺丝过程结束后，将纺丝样品放入管式炉中以4℃/min升温至200℃，并在200℃下保温2h，得到In(NO3)3–PVP纳米纤维模板。
步骤2：将0.01g In(NO3)3–PVP纳米纤维模板和0.1g六水合硝酸锌加入到20mL无水乙醇中，在室温下用磁力搅拌器搅拌(2000转/分钟)40min，随后加入0.2g尿素，继续搅拌30min，然后将所得溶液转移到50mL聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，在110℃下加热20h。反应结束后离心分离，用无水乙醇洗涤3次，在60℃下干燥12h，最后以10℃/min升温至500℃，保温120min，得到In2O3(ZnO)19基复合纳米管材料。
对比例1
将1g硝酸铟分散于8mL N,N-二甲基甲酰胺和2mL无水乙醇的混合溶液中，并用磁力搅拌器搅拌直至硝酸铟完全溶解，然后加入1g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，室温搅拌10小时，得到透明粘稠状前驱液。利用此前驱液采用静电纺丝法制备In(NO3)3多孔纳米纤维。在静电纺丝过程中，控制前驱液流速为1mL/h，注射器针尖与铝箔收集器的距离为15cm，正压为18kV，负高压为-2kV。在静电纺丝过程结束后，将纺丝样品放入管式炉中以4℃/min升温至200℃，并在200℃下保温2h，随后以10℃/min升温至500℃，保温120min，得到In2O3多孔纳米纤维。
由图1可见，实施例1所制备的产物与In2O3(ZnO)19标准XRD卡片(JCPDS No.43-0622)和In2O3标准XRD卡片(JCPDS NO.65-3170)匹配良好，样品中的主要衍射峰为In2O3(ZnO)19的衍射峰，另有三个次要的衍射峰为In2O3的衍射峰，表明样品的主相为In2O3(ZnO)19。由图2可见，对比例1所制备的晶体与In2O3的标准XRD卡片(JCPDS NO.65-3170)匹配良好，说明样品为In2O3，没有其他杂质峰出现。
从图3a、3b可以看出，实施例1所制备的产物为纳米管，与对比例1所制备产物相比，实施例1所制备的产物直径更大，表面有凸起。从图3c和3d可以看出，对比例1所制备的产物为纳米纤维，产物尺寸大小相对均一，表面粗糙。
从图4a中可清楚看到管状纳米纤维内部的中空结构，图4b中0.153nm的条纹间距对应立方相In2O3的(6 2 2)晶面间距，图4c中0.265nm的条纹间距对应六方相In2O3(ZnO)19的(0 0 63)晶面间距，表明实施例1所制备的产物为In2O3(ZnO)19基(In2O3–In2O3(ZnO)19)复合纳米管材料。
实施例2
实施例1制备的In2O3(ZnO)19基复合纳米管材料在气敏检测NO2中的应用
将150mg In2O3(ZnO)19基复合纳米管材料与0.5mL酒精混合研磨成均匀的浆料，用刷子取部分浆料涂覆在Ag–Pd电极上，得到In2O3(ZnO)19基气敏传感器，气敏层的厚度约为100μm，面积约为7×7mm2。同时以对比例1制备的In2O3多孔纳米纤维制备和In2O3气敏传感器，做对比实验。
气敏响应实验过程为：室温紫外光照下[25℃，紫外灯波长365nm，传感器表面的光功率密度为1.95mW/cm2]，将气敏传感器放入气敏测试系统的测试腔室(体积为1.8L)，用注射器向测试腔室内注入NO2气体。气敏传感器通过两根探针与外部电源相连接，测量得到气敏传感器电阻随时间的变化曲线。气敏传感器通入NO2之前的稳定电阻为Ra，通入NO2之后的电阻为Rg，传感器的响应值定义为S＝Rg/Ra，NO2气敏响应曲线即为通入NO2前后传感器响应值S随时间的变化曲线。
由图5可见，对比例1所制备的In2O3多孔纳米纤在室温下对500ppb NO2气体的响应值相对较低。实施例1所制备的In2O3(ZnO)19基复合纳米管材料(记为In2O3–In2O3(ZnO)19)在室温紫外光照下对500ppb NO2气体的响应值高达32.7。对比表明，In2O3(ZnO)19基纳米管材料在室温紫外光照下对NO2气体具有优异的灵敏度。
从图6中可以看出，NO2浓度为100ppb、200ppb、500ppb和1000ppb时，纯In2O3气敏传感器的响应值分别为2.28、4.60、9.83、17.36；而In2O3(ZnO)19基气敏传感器的响应值分别为2.92、5.45、32.73、66.65。In2O3(ZnO)19基气敏传感器的响应值在不同的浓度下均远高于纯In2O3气敏传感器。
按照上述方法，测试In2O3(ZnO)19基复合纳米管材料对不同气体的选择性，实验过程为：测量传感器室温紫外光照下对一定浓度NO2的气敏响应曲线，测量传感器室温下对相同浓度(或更高浓度)干扰气体的气敏响应。取传感器对NO2及各种干扰气体的响应值进行对比，传感器对NO2的响应值明显高于对其它气体的响应值时表明器件具有好的NO2选择性。从图7中可以看出，纯In2O3气敏传感器和In2O3(ZnO)19基气敏传感器对500ppb NO2的响应明显高于其它浓度为500ppm的干扰气体，说明In2O3(ZnO)19基气敏传感器在室温紫外光照下具有良好的选择性。
通过测试，纯In2O3和In2O3(ZnO)19基复合纳米管材料的功函数分别为3.78eV和3.65eV。因此，In2O3(ZnO)19费米能级比In2O3高。当两者接触时，会形成n-n异质结，In2O3(ZnO)19的电子将会向In2O3转移，直至两者费米能级达到平衡。一方面，In2O3与In2O3(ZnO)19之间的电子和空穴的转移导致载流子的有效分离；另一方面，In2O3表面产生电子积累层，In2O3(ZnO)19表面产生电子耗尽层。在紫外光照射下，将产生更多的光生空穴和光生电子，更多的光生电子将从In2O3(ZnO)19转移到中In2O3，这将进一步增加In2O3中电子积累层的厚度，进一步降低电子-空穴对的复合率。这些聚集在In2O3界面处的电子具有高的活性，易于与吸附在In2O3表面的氧分子形成吸附氧离子，这样更多的吸附氧离子可参与到气敏反应中，因而In2O3(ZnO)19基复合纳米管的气敏响应更高。
Claims (9)
1.一种In2O3(ZnO)19基复合纳米管材料的制备方法，其特征在于：
步骤1：将硝酸铟分散于N,N-二甲基甲酰胺和无水乙醇的混合溶液中，搅拌至硝酸铟完全溶解，然后加入聚乙烯吡咯烷酮，室温搅拌，得到透明粘稠状前驱液；利用此前驱液采用静电纺丝法制备In(NO3)3–PVP纳米纤维；静电纺丝过程结束后，将纺丝样品放入管式炉中150～250℃保温1～3h，得到In(NO3)3–PVP纳米纤维模板；
步骤2：将In(NO3)3–PVP纳米纤维模板和六水合硝酸锌加入到无水乙醇中，室温搅拌30～50min，然后加入尿素，继续搅拌20～40min，将所得溶液转移到聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，在100～120℃下加热18～24h，反应结束后离心、洗涤、干燥，最后400～600℃保温90～150min，得到In2O3(ZnO)19基复合纳米管材料。
2.根据权利要求1所述的In2O3(ZnO)19基复合纳米管材料的制备方法，其特征在于：步骤1中，所述前驱液中硝酸铟的浓度为0.25～0.4mmol/L、聚乙烯吡咯烷酮的浓度为6×10-5～9×10-5mmol/L，所述N,N-二甲基甲酰胺和无水乙醇的体积比为3～5:1。
3.根据权利要求1所述的In2O3(ZnO)19基复合纳米管材料的制备方法，其特征在于：步骤1中，在静电纺丝过程中，控制前驱液流速为0.8～1.2mL/h，注射器针尖与铝箔收集器的距离为13～17cm，正压为15～18kV，负高压为-1～-2kV。
4.根据权利要求1所述的In2O3(ZnO)19基复合纳米管材料的制备方法，其特征在于：步骤1中，将纺丝样品放入管式炉中，以3～5℃/min升温至190～210℃，保温2h。
5.根据权利要求1所述的In2O3(ZnO)19基复合纳米管材料的制备方法，其特征在于：步骤2中，所述In(NO3)3–PVP纳米纤维模板和六水合硝酸锌、尿素的质量比1:8～12:18～22。
6.根据权利要求1所述的In2O3(ZnO)19基复合纳米管材料的制备方法，其特征在于：步骤2中，将所得溶液转移到聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，在110℃下加热20h。
7.根据权利要求1所述的In2O3(ZnO)19基复合纳米管材料的制备方法，其特征在于：步骤2中，最后以8～12℃/min升温至500℃保温120min。
8.权利要求1所述制备方法得到的In2O3(ZnO)19基复合纳米管材料。
9.权利要求8所述In2O3(ZnO)19基复合纳米管材料在气敏检测NO2中的应用。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114460141A (zh) * | 2022-01-18 | 2022-05-10 | 山东大学 | 一种复合纤维气敏材料及其制备方法和应用 |
| CN115128135A (zh) * | 2022-06-24 | 2022-09-30 | 泰山学院 | 具有中空管状结构的Pb掺杂SmFeO3气敏材料及其应用 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102080268A (zh) * | 2010-12-07 | 2011-06-01 | 吉林大学 | 有序排列In2O3纳米纤维及用于制备超快响应酒精传感器 |
| CN102733007A (zh) * | 2012-06-29 | 2012-10-17 | 中国第一汽车股份有限公司 | 一种用于检测nox气体的纳米纤维材料及其制备方法 |
| CN103643350A (zh) * | 2013-12-19 | 2014-03-19 | 齐鲁工业大学 | 一种Co3O4/In2O3 异质结构纳米管及其制备方法与应用 |
| CN103706350A (zh) * | 2014-01-06 | 2014-04-09 | 齐鲁工业大学 | 一种In2O3/ZnO异质结构纳米管及其制备方法与应用 |
| CN105887465A (zh) * | 2016-05-30 | 2016-08-24 | 大连民族大学 | 同型（n-n）异质结构的SnO2/ZnO纳米复合纤维材料及其制备方法和应用 |
| CN109835944A (zh) * | 2019-03-07 | 2019-06-04 | 上海理工大学 | 用于甲醛气体检测的三维In2O3/SnO2核壳纳米复合材料及由其制备的气敏元件 |
| US20200354235A1 (en) * | 2019-05-09 | 2020-11-12 | Soochow University | Heterojunction composite material consisting of one-dimensional in2o3 hollow nanotube and two-dimensional znfe2o4 nanosheet, and application thereof in water pollutant removal |
-
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Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102080268A (zh) * | 2010-12-07 | 2011-06-01 | 吉林大学 | 有序排列In2O3纳米纤维及用于制备超快响应酒精传感器 |
| CN102733007A (zh) * | 2012-06-29 | 2012-10-17 | 中国第一汽车股份有限公司 | 一种用于检测nox气体的纳米纤维材料及其制备方法 |
| CN103643350A (zh) * | 2013-12-19 | 2014-03-19 | 齐鲁工业大学 | 一种Co3O4/In2O3 异质结构纳米管及其制备方法与应用 |
| CN103706350A (zh) * | 2014-01-06 | 2014-04-09 | 齐鲁工业大学 | 一种In2O3/ZnO异质结构纳米管及其制备方法与应用 |
| CN105887465A (zh) * | 2016-05-30 | 2016-08-24 | 大连民族大学 | 同型（n-n）异质结构的SnO2/ZnO纳米复合纤维材料及其制备方法和应用 |
| CN109835944A (zh) * | 2019-03-07 | 2019-06-04 | 上海理工大学 | 用于甲醛气体检测的三维In2O3/SnO2核壳纳米复合材料及由其制备的气敏元件 |
| US20200354235A1 (en) * | 2019-05-09 | 2020-11-12 | Soochow University | Heterojunction composite material consisting of one-dimensional in2o3 hollow nanotube and two-dimensional znfe2o4 nanosheet, and application thereof in water pollutant removal |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114460141A (zh) * | 2022-01-18 | 2022-05-10 | 山东大学 | 一种复合纤维气敏材料及其制备方法和应用 |
| CN114460141B (zh) * | 2022-01-18 | 2024-05-28 | 山东大学 | 一种复合纤维气敏材料及其制备方法和应用 |
| CN115128135A (zh) * | 2022-06-24 | 2022-09-30 | 泰山学院 | 具有中空管状结构的Pb掺杂SmFeO3气敏材料及其应用 |
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