CN1737558A - 一种二氧化锡基纳米棒气敏材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析气体的技术领域，具体地说是涉及一种电子元件材料，特别是涉及一种二氧化锡(SnO2)基纳米棒气敏材料及制备方法，该纳米棒气敏材料按摩尔比计算称取四氯化锡1份、尿素1.5～3份、硝酸铋0.08～0.12份进行配料、搅拌、干燥、压片，预烧制得。本发明的二氧化锡基纳米棒气敏材料较现有技术工艺简单、成本低，尤其是使用其制作的阻性气敏传感元件灵敏度高，在500ppm乙醇气体中的灵敏度K值达到29.2。
Description
发明领域
本发明涉及借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料的技术领域，具体地说是涉及一种电子元件材料，特别是涉及一种二氧化锡(SnO2)基纳米棒气敏材料及制备方法。
技术背景
由于二氧化锡基纳米材料具有良好的气敏特性，所以广泛用于气敏传感器制造业。为了改良这类传感器的灵敏度和选择性、响应速度以及恢复时间，目前业内研究者所做的研究工作主要在于以下几个方面：①使材料颗粒尽可能细，最好制成纳米材料，增大单位比表面积，提高灵敏度；②将气敏材料制成薄膜，以便增大与气体的接触面积，提高灵敏度；③掺入贵金属元素或稀土元素，进一步提高材料的灵敏度和选择性。这些方法尽管能有效地改善了二氧化锡基材料的气敏特性，但也存在着工艺复杂，微结构不易控制和成本较高等问题。为了进一步改良二氧化锡基纳米气敏材料的气敏特性，本发明者于2004年11月5日向国家知识产权局递交了一份关于“新型二氧化锡基纳米气敏材料及制备方法”(申请号为：200410052061.9)的发明专利申请。该专利申请的主要技术特征是在制得的二氧化锡基纳米粉体中掺入碳纳米管并分散均匀，从而使二氧化锡基纳米气敏材料的微结构得到较好地调整，灵敏度也有显著的提高。发明者在对所述的新型二氧化锡基纳米气敏材料以及其它方法制备的二氧化锡基纳米气敏材料进行深入研究发现，其微观结构都是由接近于球形的晶粒互相连接组成的(参见图1)，由于球形晶粒的大小不一，导致所生产的多孔陶瓷含有大量封闭气孔，因而制约了其气敏特性的进一步改善，尤其是灵敏度K值的进一步提升。
随着纳米技术的发展，目前关于棒状晶粒生长的纳米材料的制备和机理研究更成为热点，已有报道采用纳米碳管及多孔氧化铝模板法、溶液—液相—固相(SLS)生长法、非水溶剂热合成、激光烧蚀与气—液—固(VLS)结合生长法等生产出各种纳米棒，但尚未见到有关纳米棒气敏材料的报道。中国科技信息网2004年1月13日发布一条消息，新加坡的国立新加坡大学(The National University of Singapore)成功制备出二氧化锡(SnO2)纳米棒，但该纳米棒也只适用于作锂离子充电电池负极材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种二氧化锡基纳米棒气敏材料，使用它制成电阻性气敏传感器灵敏度高。
本发明的另一目的是提供一种上述二氧化锡基纳米棒气敏材料的制备方法。
本发明的二氧化锡基纳米棒气敏材料按净值摩尔(份)配比由以下组分组成：
四氯化锡(SnCl4·5H2O) 1
尿素(H2NCONH2) 1.5～3
硝酸铋(Bi(NO3)3) 0.08～0.12
上述二氧化锡基纳米棒气敏材料按净值摩尔(份)优选配比是：
四氯化锡(SnCl4·5H2O) 1
尿素(H2NCONH2) 1.5
硝酸铋(Bi(NO3)3) 0.08
制备本发明的二氧化锡基纳米棒气敏材料的方法由下列步骤组成：
A)将四氯化锡与尿素按上述比例混合，加蒸馏水配成混合溶液，在80℃～95℃水浴中搅拌保温，得到乳状沉淀物；
B)将硝酸铋溶于稀硝酸，边搅拌边滴加氨水，直至形成乳状沉淀；
C)将步骤A和B所得两种沉淀物相混合，用去离子水反复洗涤，然后放入干燥箱内干燥；
D)将干燥后的颗粒研磨后，用干粉压机压成片状，在800～850℃退火处理1～3小时，制得二氧化锡纳米棒粉体。
上述本发明二氧化锡基纳米棒气敏材料制备方法其中步骤D)的最佳退火温度是820℃。
由于本发明在原料中添加了硝酸铋(Bi(NO)3)，并在800～850℃的高温下退火处理，使硝酸铋可分解成三氧化二铋(Bi2O3)。在此过程中，一方面Bi2O3在烧结过程中充分熔化形成液相，促使SnO2晶粒异向生长，形成棒状晶粒，另一方面Bi2O3作为掺杂物存在于气敏粉体中，可提高对碳氢类气体的灵敏度。本发明相对于现有技术具有工艺简单、成本低廉的优点，特别是使用它制成电阻性气敏传感器的灵敏度高达29.2。
附图说明：
图1为本申请人在先申请的“新型二氧化锡基纳米气敏材料”在电子扫描显微镜下拍摄的照片；
图2为按下述实施例1所述的配比及制备方法制备的本发明二氧化锡基纳米棒气敏材料在电子扫描显微镜下拍摄的照片；
图3为按下述实施例2所述的配比及制备方法制备的本发明二氧化锡基纳米棒气敏材料在电子扫描显微镜下拍摄的照片。
具体实施方式：
例1
按净值摩尔(份)比称取四氯化锡1份；尿素1.5份；硝酸铋0.08份后按下述步骤制备：
A)将四氯化锡与尿素按上述比例混合，加蒸馏水配成混合溶液，在80℃(也可略高一点，但最好不要超过95℃)水浴中搅拌保温，得到乳状沉淀物；
B)将硝酸铋溶于稀硝酸，边搅拌边滴加氨水，直至形成乳状沉淀；
C)将步骤A和B所得两种沉淀物相混合，用去离子水反复洗涤，然后放入干燥箱内干燥；
D)将干燥后的颗粒研磨后，用干粉压机压成片状，在820℃退火处理2小时，制得二氧化锡棒状晶粒纳米粉体(其形貌如图2所示)。
使用本实施例二氧化锡基纳米棒气敏材料生产的阻性气敏传感器，测得在空气中电阻(KΩ)值和在500ppm乙醇气体中的灵敏度随加热电压变化参数如表1所示。
表1：
例2
按净值摩尔(份)比称取四氯化锡1份、尿素3份，硝酸铋0.12份后，按例1相同的步骤和顺序制备，所不同的是步骤D)的退火温度为850℃，退火时间为1小时。本实施例所制备的二氧化锡棒状纳米粉体形貌如图3所示。
使用本实施例二氧化锡基纳米棒气敏材料生产的阻性气敏传感器，测得在空气中电阻(KΩ)值和在500ppm乙醇气体中的灵敏度随加热电压变化参数如表2所示。
表2：
例3
按净值摩尔(份)比称取四氯化锡1份、尿素2份，硝酸铋0.1份后，按例1相同的步骤和顺序制备，所不同的是步骤D)的退火温度为800℃，退火时间为3小时。
使用本实施例二氧化锡基纳米棒气敏材料生产的阻性气敏传感器，测得在空气中电阻(KΩ)值和在500ppm乙醇气体中的灵敏度随加热电压变化参数如表3所示。
表3：
Claims (4)
1、一种二氧化锡基纳米棒气敏材料按净值摩尔(份)配比由以下组分组成：
四氯化锡(SnCl4·5H2O) 1
尿素(H2NCONH2) 1.5～3
硝酸铋(Bi(NO3)3) 0.08～0.12
2、根据权利要求1所述的一种二氧化锡基纳米棒气敏材料，各组分按净值摩尔(份)配比是：
四氯化锡(SnCl4·5H2O) 1
尿素(H2NCONH2) 1.5
硝酸铋(Bi(NO3)3) 0.08
3、一种如权利要求1或2所述的二氧化锡基复合纳米棒气敏材料的制备方法由下列步骤组成：
A)将四氯化锡与尿素按上述比例混合，加蒸馏水配成混合溶液，在80℃～95℃水浴中搅拌保温，得到乳状沉淀物；
B)将硝酸铋溶于稀硝酸，边搅拌边滴加氨水，直至形成乳状沉淀；
C)将步骤A和B所得两种沉淀物相混合，用去离子水反复洗涤，然后放入干燥箱内干燥；
D)将干燥后的颗粒研磨后，用干粉压机压成片状，在800～850℃退火处理1～3小时，制得二氧化锡纳米棒粉体。
4、根据权利要求3所述的一种二氧化锡基纳米棒气敏材料制备方法，其中步骤D)的最佳退火温度是820℃。
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