CN1528659A - 一种气敏纳米材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种气敏纳米材料及其制备方法,属传感材料技术领域。本发明主要内容是这种气敏纳米材料,主要由镧、铅、铁、氧元素组成的,组成分子式为La1-xPbxFeO3,x的取值为0.32~0.5。该材料可采用溶胶-凝胶方法制得。它解决了现有技术存在的灵敏度低、气敏选择性不强、最佳工作温度高等缺点。本发明具有气敏材料灵度高、选择性强、工作温度低、制备工艺简单等优点。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种气敏纳米材料及其制备方法,属传感材料技术领域。
(二)技术背景
气敏材料是一种重要的功能材料,它可以检测出特殊气体的存在及其浓度大小,具有广阔的应用前景。较早使用的气敏材料主要有ZnO、SnO2等金属氧化物,它们在有毒、有害气体的检测和控制中发挥着重要作用。但是,ZnO、SnO2等金属氧化物在选择性、灵敏性、稳定性等方面还存在很多不足之处,并且该类金属氧化物气敏材料的最佳工作温度一般都高于200℃,最佳工作温度过高对材料的稳定性不利。钙钛矿型氧化物ABO3(其中A位是稀土元素La、Pr等,B位是三价过渡元素Fe、Ni、Co等)的结构稳定,特别是当二价碱土金属离子部分替代A位离子后,可以形成阴离子缺陷或不同价态的B位离子,而晶体结构却不会发生根本性改变,并且已经发现La1-xSrxFeO3和La1-xCaxFeO3对乙醇气体有气敏性。材料La1-xSrxFeO3和La1-xCaxFeO3对乙醇气氛的气敏性与ZnO、SnO2有明显的不同,一般情况下,ZnO、SnO2在乙醇气氛中的电导值大于在空气中的电导值,表现为n-型半导体载流子的导电性质;而La1-xSrxFeO3和La1-xCaxFeO3在乙醇气氛中的电导值小于在空气中的电导值,研究者认为La1-xSrxFeO3和La1-xCaxFeO3是p-型半导体气敏材料。实验证明:La1-xSrxFeO3、La1-xCaxFeO3等复合金属氧化物稳定性较高,但灵敏度较低,气敏选择性也不强,且同时也存在最佳工作温度较高的缺点,这也同样影响其应用。
(三)发明内容
为了解决现有技术存在的灵敏度低、气敏选择性不强、最佳工作温度高等缺点,本发明设计了一种具有高选择性、高稳定性、高灵敏度、且具有较低最佳工作温度的气敏材料并给出了制备方法。
本发明是通过如下方式实现的:
这种气敏纳米材料,主要是由镧、铅、铁、氧元素组成的,组成分子式为La1-xPbxFeO3,x的取值为0.32~0.5。
具体制备步骤如下:
(1)按组成分子式的化学计量比称出硝酸镧、硝酸铅、硝酸铁并溶于去离子水中,加入所制备材料1~10倍摩尔量的柠檬酸,将该溶液放入40℃~90℃的水浴中加热,搅拌并加入所制备材料1/10000~1/100000倍摩尔量的聚乙二醇(分子量200~20000),继续搅拌至凝胶状态,然后
(2)将所得凝胶放入烘箱中干燥,温度控制在40℃~80℃,而后再在200℃~400℃的条件下灼烧得到原粉;
(3)将灼烧得到的原粉进行研磨,在600℃~1000℃的条件下退火0.5~5小时,得到气敏纳米材料La1-xPbxFeO3。
本发明材料La1-xPbxFeO3不同于ZnO、SnO2等n型气敏材料和LaFeO3、La1-xSrxFeO3、La1-xCaxFeO3等p型气敏材料,它为p-n电子-空穴复合型气敏材料。在乙醇气体环境中,La1-xPbxFeO3的电导值与在空气中的电导值相比增高,这与ZnO类气敏材料的情形类似,La1-xPbxFeO3在乙醇气体环境下呈现出n-型半导体载流子的导电特性。原因是:纳米La1-xPbxFeO3晶界表面存在大量悬挂键,吸附了氧原子,这些氧原子进而从La1-xPbxFeO3中俘获了电子而带负电,材料晶粒在表面附近出现耗尽层,形成附加电子势垒,载流子运动受阻。材料表面与还原性乙醇气体接触时,与氧负离子发生反应,最终电子又返回La1-xPbxFeO3材料中,导致导电电子的浓度增大,电阻减小,从而材料显示出对乙醇具有极高的气敏性。在丙酮,汽油气体环境中,与空气中相比,相同温度时材料的电导值降低,La1-xPbxFeO3在丙酮、汽油气体中呈现出p-型半导体载流子的导电特性。La1-xPbxFeO3中可能还存在一定数量的带正电的空穴,与还原性气体丙酮作用时,返回材料中的电子与空穴相复合,使得导电空穴浓度降低,电阻升高,导致La1-xPbxFeO3对丙酮也具有气敏性。La1-xPbxFeO3与La1-xSrxFeO3、La1-xCaxFeO3气敏效应不同的原因是:Ca、Sr处于IIA,Ca、Sr仅仅显示出正二价态。而Pb在元素周期表中处于IVA,所以Pb不仅仅显示正二价态,可能还存在正四价的较高价态。这种电子-空穴复合型导电机制使得La1-xPbxFeO3气敏材料对乙醇气体环境的反应完全不同与丙酮、汽油等环境,因此对乙醇气体具有更高的气体选择性,具有广阔的应用前景。
本发明具有气敏材料灵度高、选择性强、工作温度低、制备工艺简单等优点。
(四)具体实施方式
实施例1
取x=0.32,按组成分子式La0.68Pb0.32FeO3的化学计量比称出2.52克硝酸镧,氧化镧含量为44%,1.06克硝酸铅,2.41克硝酸铁,按无水盐计,溶于去离子水中,加入2.1克柠檬酸,将该溶液放入40℃的水浴中加热,搅拌并加入0.6克的聚乙二醇(分子量6000),继续搅拌至凝胶状态。将所得凝胶放入烘箱中干燥,温度控制在60℃,再在200℃的条件下灼烧得到原粉,将原粉进行研磨,在600℃的条件下退火0.5小时,得到气敏纳米材料La0.68Pb0.32FeO3。在100ppm的乙醇气氛中,灵敏度可达51;在1000ppm的乙醇气氛中,灵敏度高达522。
实施例2
取x=0.32,按组成分子式La0.68Pb0.32FeO3的化学计量比称出2.52克硝酸镧,氧化镧含量为44%,1.06克硝酸铅,2.41克硝酸铁,按无水盐计,溶于去离子水中,加入3.2克柠檬酸,将该溶液放入50℃的水浴中加热,搅拌并加入0.8克的聚乙二醇(分子量8000),继续搅拌至凝胶状态。将所得凝胶放入烘箱中干燥,温度控制在60℃,再在200℃的条件下灼烧得到原粉,将原粉进行研磨,在800℃的条件下退火2.5小时,得到气敏纳米材料La0.68Pb0.32FeO3。在100ppm的乙醇气氛中,灵敏度可达101。
实施例3:
取x=0.33,按组成分子式La0.67Pb0.33FeO3的化学计量比称出2.48克硝酸镧,氧化镧含量为44%,1.09克硝酸铅,2.41克硝酸铁,按无水盐计,溶于去离子水中,加入4.2克柠檬酸,将该溶液放入70℃的水浴中加热,搅拌并加入1克的聚乙二醇(分子量10000),继续搅拌至凝胶状态。将所得凝胶放入烘箱中干燥,温度控制在70℃,再在300℃的条件下灼烧得到原粉,将原粉进行研磨,在800℃的条件下退火2小时,得到气敏纳米材料La0.67Pb0.33FeO3。在1000ppm的乙醇气氛中,灵敏度可达100。
实施例4:
取x=0.35,按组成分子式La0.5Pb0.5FeO3的化学计量比称出1.85克硝酸镧,氧化镧含量为44%,1.06克硝酸铅,2.41克硝酸铁,按无水盐计,溶于去离子水中,加入21克柠檬酸,将该溶液放入90℃的水浴中加热,搅拌并加入2克的聚乙二醇(分子量20000),继续搅拌至凝胶状态。将所得凝胶放入烘箱中干燥,温度控制在80℃,再在400℃的条件下灼烧得到原粉,将原粉进行研磨,在1000℃的条件下退火5小时,得到气敏纳米材料La0.5Pb0.5FeO3。在100ppm的乙醇气氛中,灵敏度可达20。在1000ppm的乙醇气氛中,灵敏度可达80。
Claims (2)
1.一种气敏纳米材料,其特征是由镧、铅、铁、氧元素组成的,组成分子式为La1-xPbxFeO3,x的取值为0.32~0.5。
2.一种制备如权利要求1所述的气敏纳米材料方法,其特征是制备方法如下:
(1)按组成分子式的化学计量比称出硝酸镧、硝酸铅、硝酸铁并溶于去离子水中,加入所制备材料1~10倍摩尔量的柠檬酸,将该溶液放入40℃~90℃的水浴中加热,搅拌并加入所制备材料1/10000~1/100000倍摩尔量的聚乙二醇(分子量200~20000),继续搅拌至凝胶状态,然后
(2)将所得凝胶放入烘箱中干燥,温度控制在40℃~80℃,而后再在200℃~400℃的条件下灼烧得到原粉;
(3)将灼烧得到的原粉进行研磨,在600℃~1000℃的条件下退火0.5~5小时,得到气敏纳米材料La1-xPbxFeO3。
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CNA031390870A CN1528659A (zh) | 2003-09-30 | 2003-09-30 | 一种气敏纳米材料及其制备方法 |
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CN110606807A (zh) * | 2019-09-26 | 2019-12-24 | 南京大学 | 一种利用乙醇调控二维钙钛矿结晶过程的后处理方法 |
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2003
- 2003-09-30 CN CNA031390870A patent/CN1528659A/zh active Pending
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CN110606807A (zh) * | 2019-09-26 | 2019-12-24 | 南京大学 | 一种利用乙醇调控二维钙钛矿结晶过程的后处理方法 |
CN110606807B (zh) * | 2019-09-26 | 2021-09-07 | 南京大学 | 一种利用乙醇调控二维钙钛矿结晶过程的后处理方法 |
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