納米線的氣體傳感器氣敏膜的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于In2O3納米線的氣體傳感器氣敏膜的制備方法。是以兩步化學(xué)轉(zhuǎn)化法合成多孔半導(dǎo)體In2O3納米材料，經(jīng)過初步分離純化后得到純度較高的In2O3納米線，并以此作為氣敏性材料，組裝成半導(dǎo)體氣體傳感器。該氣體傳感器的工作原理是根據(jù)半導(dǎo)體In2O3納米線材料暴露在空氣和待測氣體中電信號（電阻、電壓、電流等）的變化來進(jìn)行檢測和分析的。氣體傳感器能夠?qū)σ掖?、丙酮、甲醛等常見的有機揮發(fā)性氣體(VOCs)及氨氣、硫化氫等有毒有害環(huán)境污染性氣體有較好的響應(yīng)，而且其響應(yīng)程度（即靈敏度）與待測氣體的濃度（或含量）直接相關(guān)，可用于氣體的在線檢測。
【專利說明】基于丨11203納米線的氣體傳感器氣敏膜的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體氣體傳感器氣敏膜的制備方法，具體來說，是將1！1203納米線作為氣敏性材料，組裝成為半導(dǎo)體氣體傳感器，來實現(xiàn)對氣體的分析與檢測。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著人類安全與健康意識的提高，迫切需要監(jiān)控大氣、家庭和各種生產(chǎn)、生活場所的易燃易爆氣體以及有毒有害氣體，以防止安全事故的發(fā)生，保障人身和財產(chǎn)的安全。目前對于氣體的檢測分析主要仍是以大型儀器分析為主，如氣相色譜、紅外吸收、熱導(dǎo)分析等分析儀器，這些大型儀器的前處理復(fù)雜、操作繁瑣、儀器維護(hù)成本昂貴，多不能進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測。因此，開發(fā)成本低廉、靈敏度高、便攜式氣體傳感器迫在眉睫。而氣體傳感器性能與氣敏材料密切相關(guān)，因此高性能的氣敏材料越來越受到人們的關(guān)注。雖然各種半導(dǎo)體金屬氧化物材料已被廣泛用于氣體傳感器的氣敏材料，但其較低的靈敏度還是在一定程度上限制了它的推廣。
[0003]金屬氧化物的納米線結(jié)構(gòu)因其比表面積大、表面活性高，因而對周圍的環(huán)境表現(xiàn)得非常敏感，有望對待測氣體表現(xiàn)出優(yōu)良的氣敏性能。并且，這些金屬氧化物的納米材料制作工藝簡單、成本低廉、簡便易行，為其大范圍推廣奠定了基礎(chǔ)。
[0004]基于金屬氧化物納米材料的這些優(yōu)點，將其設(shè)計作為半導(dǎo)體氣體傳感器氣敏膜，能夠提聞氣體的檢測靈敏度，縮短響應(yīng)和恢復(fù)時間。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提出一種基于111203納米線的氣體傳感器氣敏膜的制備方法，以提高對氣體的檢測靈敏度、縮短響應(yīng)和恢復(fù)時間。為了實現(xiàn)上述目的，本設(shè)計采用的技術(shù)方案為:
[0006]通過商品化111203粉末制備111203納米材料,分離得到多孔匕施一維納米線材料，并用作制備傳感器的氣敏膜。
[0007]包括了 1?。?03納米材料的制備、111203納米線的分離、以及氣體傳感器氣敏膜的組裝；
[0008](1)將用水調(diào)制成糊狀的商品化111203粉末均勻涂抹在石英舟的內(nèi)壁，干燥后放入到石英管式爐的正中心，于氨氣流中高溫反應(yīng)3-81?。环磻?yīng)結(jié)束后，使石英管緩慢冷卻至室溫；將石英舟中得到的產(chǎn)物在空氣氛圍中高溫煅燒2-51！，反應(yīng)結(jié)束后，緩慢冷卻到室溫；
[0009](2)將步驟(1)所獲得的產(chǎn)物除去直徑以上的大顆粒的金屬銦球，剩下的納米材料和金屬銦粉分散于有機溶劑中；將分散溶液全部吸出，吸出的分散溶液攪拌6-121！后，離心，收集所得上清液，上清液再次離心后，收集得到的沉淀，將沉淀全部分散于無水乙醇中；
[0010](3)將帶有一對金電極和鉬引線的陶瓷管中穿過一根附-0加熱絲；取納米線乙醇分散溶液，緩慢滴涂在陶瓷管外表面一對金電極之間成膜，老化2處。
[0011]所述商品化11^03為質(zhì)量純度大于等于99.99%的111203。
[0012]步驟(1)所述氨氣流的流速為100-50011117111111 ；氨氣中高溫指600-8001。
[0013]步驟(1)所述空氣氛圍為流速為100-50011117111111的空氣流；空氣氛圍中高溫指500-700。。。
[0014]步驟(2)所述離心速度為2000-500011)111，離心時間為1-10111111。
[0015]步驟(2 )所述有機溶劑為乙醇、甲苯、己烷、正己烷、乙二醇、三氯苯酚、氯仿等中的一種或二種以上。
[0016]步驟(3)所述涂在長X外徑為如!:!※1.2^陶瓷管外表面的納米線乙醇分散溶液體積為5-200 9 I。
[0017]步驟(3 )所述老化溫度控制在400-500 V。
[0018]氣敏膜可用于有機揮發(fā)性氣體的實時檢測。
[0019]納米線的合成采用的是兩步化學(xué)轉(zhuǎn)化法。先將111203在順3氛圍中氮化，制備出1抓納米線，再將納米線在空氣流中氧化為匕施納米線，由于柯肯達(dá)爾效應(yīng)，通過氨氣氮化金屬氧化物形成金屬氮化物，再在空氣中氧化回金屬氧化物。新形成的金屬氧化物包覆在未反應(yīng)的金屬氮化物表面，反應(yīng)產(chǎn)生的氮氣在金屬氧化物層下聚集，最終沖破金屬氧化物層，形成超細(xì)的納米孔結(jié)構(gòu)，更多的氧氣從孔中進(jìn)入，與下一層的金屬氮化物反應(yīng)，周而復(fù)始，形成具有超細(xì)納米微孔結(jié)構(gòu)的多孔材料，進(jìn)一步增加納米線材料的比表面積。
[0020]得到的產(chǎn)物中，除了 1！1203納米線之外，還有金屬銦粉、銦球、111203微米片、微米管等。經(jīng)過離心分離，按照不同產(chǎn)物在氯仿中的密度和粘度的差異，能夠在不同的離心力下，分離出純度較高的111203納米線。
[0021]分離出的多孔111203納米線經(jīng)由乙醇分散，滴涂在陶瓷管上，制作方便，易于重復(fù)。
[0022]本發(fā)明涉及一種基于1！1203納米線的氣體傳感器氣敏膜的制備方法。是以兩步化學(xué)轉(zhuǎn)化法合成多孔半導(dǎo)體111203納米材料，經(jīng)過初步分離純化后得到純度較高的111203納米線，并以此作為氣敏性材料，組裝成半導(dǎo)體氣體傳感器。該氣體傳感器的工作原理是根據(jù)半導(dǎo)體1！1203納米線材料暴露在空氣和待測氣體中電信號(電阻、電壓、電流等)的變化來進(jìn)行檢測和分析的。氣體傳感器能夠?qū)σ掖?、丙酮、甲醛等常見的有機揮發(fā)性氣體00(?)及氨氣、硫化氫等有毒有害環(huán)境污染性氣體有較好的響應(yīng)，而且其響應(yīng)程度(即靈敏度)與待測氣體的濃度(或含量)直接相關(guān)，可用于氣體的在線檢測。
[0023]本發(fā)明的優(yōu)點
[0024]1.用作制備半導(dǎo)體氣體傳感器的1！1203是多孔的納米線一維材料，提高了對氣體的靈敏度、縮短了響應(yīng)和恢復(fù)時間。
[0025]2.傳感器氣敏膜制作工藝簡單、成本低廉、簡便易行。
[0026]說明書附圖
[0027]圖1.制備得到的111203納米材料的掃描電鏡圖片。
[0028]圖2.經(jīng)過分離得到的⑷較純的111203納米線；㈦其他的結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖片。
[0029]圖3.⑷半導(dǎo)體氣體傳感器示意圖；㈦氣敏性能測試所用的電路示意圖；⑷不同濃度的乙醇響應(yīng)曲線。

【具體實施方式】
[0030](1) 11！203納米材料的制備。稱取1.58的111203粉末(阿拉丁公司，99.99%)于石英舟(5(^^2.8(3^1.4(^)中。向石英舟中加入幾滴蒸餾水，將111203粉末調(diào)制成糊狀，用藥勺將其均勻的涂抹在石英舟的內(nèi)壁上，放入通風(fēng)廚中緩慢干燥。再將石英舟放入到石英管式爐(60(311^3.535(311^3.106(3111)的正中心。向石英管中以2001111/111111的流速通入氨氣30-11，以排除石英管中的空氣。然后，再將石英管在2004/111111的氨氣中，從室溫快速加熱到7301，并保持反應(yīng)61！。反應(yīng)結(jié)束后，關(guān)閉石英管式爐，使石英管緩慢冷卻到室溫。最后，將石英舟中得到的產(chǎn)物，在20011117111111的空氣氛圍中，從室溫加熱到6001，并保持31！，反應(yīng)結(jié)束后，關(guān)閉石英管式爐，緩慢冷卻到室溫。
[0031](2) 1！1203納米線的分離。將步驟(1)獲得的物質(zhì)除去大直徑2皿以上顆粒的金屬銦球，剩下的納米材料和金屬銦粉(圖0，可以將其全部分散在20?。的氯仿中。金屬銦粉在氯仿中沉降的速率極快，而納米材料還來不及沉積，因此可以用移液槍將分散液全部吸取出來，置于另一只2001小瓶中。將小瓶中的分散液在磁力攪拌器上攪拌12卜后，再置于高速離心機中，在200011)111下離心3111111，將上清液吸出。收集所得的上清液，在90001^111下離心501！！，將上清液完全傾倒掉，收集得到沉淀(圖2),最后將沉淀全部分散在無水乙醇中。
[0032]⑶氣體檢測器的組裝。如圖％，將帶有一對金電極3和鉬引線2的陶瓷管4(長X外徑X內(nèi)徑為8111111)中穿過一根附-0加熱絲1，用來提供測試所需要的溫度；一對金電極3相互間隔地纏繞于陶瓷管4的外表面，于一對金電極3上分別設(shè)有鉬引線2，于陶瓷管4內(nèi)穿置有一根附-0加熱絲1。將鉬引線和附-0加熱絲分別焊接固定在基座上。圖此為所采用電路示意圖。取2009 [的納米線乙醇分散溶液，緩慢滴涂在陶瓷管外表面一對金電極3之間成氣敏膜5。然后，將整個傳感器連接到氣敏元件測試系統(tǒng)(13-30八，鄭州煒盛)中400-5001老化2處，老化時的加熱電壓控制在4乂。
[0033](4)氣敏測試實驗。根據(jù)計算，吸取定量的無水乙醇溶液置于密閉的體系中，待其完全揮發(fā)，即獲得所需要的乙醇的濃度。
[0034]具體操作如下:先打開13-30八氣敏測試系統(tǒng)，暴露在空氣中，插上負(fù)載卡，開始測試。待其電信號穩(wěn)定后，分別定量吸取11^1、2 1^1、3 ^ 1?4 111?5 111的無水乙醇置于氣敏測試系統(tǒng)的蒸發(fā)器上，罩上配氣箱，按下前控制面板的“蒸發(fā)”按鈕，不要松開，數(shù)秒后液體即可完全揮發(fā)，再松開，采用的靜態(tài)配氣法，在密閉容器中，氣體所需的濃度通過理想氣體狀態(tài)方程的計算來獲取，得到相對應(yīng)為20卯II1、40卯II1、60卯II1、80卯II1、100卯III。13-30八氣敏測試系統(tǒng)自動記錄氣敏膜對應(yīng)密閉容器中不同無水乙醇濃度產(chǎn)生的電信號的變化曲線(如圖3(3所示)。
【權(quán)利要求】
1.基于111203納米線的氣體傳感器氣敏膜的制備方法，其特征在于:通過商品化111203粉末制備1?。?03納米材料，分離得到多孔1??！203 —維納米線材料，并用作制備傳感器的氣敏膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:包括了111203納米材料的制備、111203納米線的分離、以及氣體傳感器氣敏膜的組裝； (1)將用水調(diào)制成糊狀的商品化111203粉末均勻涂抹在石英舟的內(nèi)壁，干燥后放入到石英管式爐的正中心，于氨氣流中高溫反應(yīng)3-81??；反應(yīng)結(jié)束后，使石英管緩慢冷卻至室溫；將石英舟中得到的產(chǎn)物在空氣氛圍中高溫煅燒2-51！，反應(yīng)結(jié)束后，緩慢冷卻到室溫； (2)將步驟(1)所獲得的產(chǎn)物除去直徑2皿以上的大顆粒的金屬銦球，剩下的納米材料和金屬銦粉分散于有機溶劑中；將分散溶液全部吸出，吸出的分散溶液攪拌6-121！后，離心，收集所得上清液，上清液再次離心后，收集得到的沉淀，將沉淀全部分散于無水乙醇中； (3)將帶有一對金電極和鉬引線的陶瓷管中穿過一根附-0加熱絲；取納米線乙醇分散溶液，緩慢滴涂在陶瓷管外表面一對金電極之間成膜，老化2處。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于:所述商品化111203為質(zhì)量純度大于等于 99.99% 的 111203。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于:^^(1)所述氨氣流的流速為100-5001111/111111 ；氨氣中高溫指 600-8001。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于:步驟(1)所述空氣氛圍為流速為100-5001111/111111的空氣流；空氣氛圍中高溫指500-7001。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于:步驟(2)所述離心速度為2000-500011)111，離心時間為 1-10111111。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于:步驟(2)所述有機溶劑為乙醇、甲苯、己烷、正己烷、乙二醇、三氯苯酚、氯仿等中的一種或二種以上。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于:步驟(3)所述涂在長X外徑為如!!!※1.2111111陶瓷管外表面的納米線乙醇分散溶液體積為5-200 4匕
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于:^^(3)所述老化溫度控制在400-500。。。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于:氣敏膜可用于有機揮發(fā)性氣體的實時檢測。
【文檔編號】B82Y40/00GK104422716SQ201310407887
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年9月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月9日
【發(fā)明者】馮亮, 楊衛(wèi), 關(guān)亞風(fēng) 申請人:中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所