[发明专利]一种氧化钨纳米线及氧化钨纳米线氨敏传感器的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧化钨纳米线及氧化钨纳米线氨敏传感器的制备方法，属于气敏传感器技术领域。

背景技术

氧化钨是一种过渡金属氧化物n型半导体。作为一种功能材料，近年来，大量的研究发现钨基氧化物除作为催化、电致变色、蓄电池电极、太阳能吸收材料和隐形材料之外，还具有热敏、压敏和气敏等半导体功能材料的特性，氧化钨纳米晶膜在气敏传感器、光催化、光电导等方面的应用和研究正越来越多的引起人们的高度重视，尤其是在氧化物半导体气敏传感器应用领域，氧化钨基材料已被认为是检测NO_x、SO_x、NH₃、H₂S等最有前景的新型氧化物气敏材料之一。

氧化钨纳米线与传统的氧化钨材料相比具有更大的比表面积，其在气敏传感器、电致发光、光致发光、电导电极及光催化等方面均具有广泛的应用前景。特别是在氧化物半导体气敏传感器应用领域，氧化钨纳米线除了具有大的比表面积外，还具有更大的表面活性和更强的吸附能力，加快了与气体的反应，从而大大提高了灵敏度并进一步降低了传感器的工作温度。

目前，一方面，氧化钨纳米线的制备技术还存在工艺复杂、能耗大、不易大规模推广等诸多问题。例如，Andrea Ponzoni等人(Andrea Ponzoni et al.Applied Physics Letters，88：203101-1～203101-3，2006)在1400～1450℃时通过蒸发钨粉制备了WO_3-X纳米线网络结构，该纳米线网络结构由直径为几十纳米到200nm的纳米线构成，但是在制备过程中必须严格控制温度、压力、蒸发时间等参数，而且整个反应在真空腔室中进行并通入一定流速的氩气，制备温度高达1400～1450℃，这在很大程度上增加了能源消耗，不易实现大规模生产。另一方面，目前国内外对氧化钨纳米线氨敏传感器的研究很少，而且仅有的少量研究中对氨气的敏感性能很不理想。例如，2006年Andrea Ponzoni等人(Andrea Ponzoni et al.Applied Physics Letters，88：203101-1～203101-3，2006)蒸发钨粉制备了WO_3-x纳米线网络结构并研究了其对NH₃的气敏特性。但是，研究结果表明，该纳米线网络结构30ppm的NH₃在200～500℃的温度范围内均没有明显的响应，而且该纳米线需在1400～1450℃的高温下制备，敏感膜需要多达6天的长时间退火后才能获得稳定的电性能，造成了极大的能源消耗。总之，目前大多数氧化钨基传感器的研究主要集中在由大晶粒尺寸组成的多晶膜的研究上，由于受表面结构和晶粒尺寸的限制，传感器的灵敏度和选择性不够理想，只有提高测试温度或通过掺杂其它材料时才能获得高灵敏度和可重复性。而目前国内外仅有极少数报道涉及到对氧化钨纳米线传感器的研究，而且都不同程度的存在以下不足：氧化钨纳米线的制备工艺非常复杂；原材料价格昂贵；前驱体需高温处理；后期成膜周期长；获得敏感性能好且气敏性能稳定的敏感膜非常困难。本发明在克服了上述不足的前提下成功制备了比表面积大，氨敏性能优异、重复性和稳定性良好的氧化钨纳米线氨敏传感器。

发明内容

针对目前氧化钨纳米线及氧化钨气敏传感器在制备过程中存在的问题，本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种通过简易的水热法，大规模制备氧化钨纳米线气敏材料的方法，并继而提供一种对氨气具有高灵敏度、重复性能好、稳定性高的氧化钨纳米线传感器的制备方法，这在气敏传感器领域具有十分重要的价值和现实意义。本发明制备的氧化钨纳米线气敏材料为六方相结构，并具有大的比表面积，由该纳米线制备的氧化钨氨敏传感器对1～100ppm的低浓度氨气具有很高的灵敏度、良好的重复性和很高的稳定性。该制备方法包括以下步骤：

1、氧化钨纳米线气敏材料由如下方法制备：

(1)将1.0～1.5克钨酸钠溶于24～30毫升的去离子水中，在冰水浴中磁力搅拌1小时，形成无色透明的钨酸钠溶液；

(2)先向(1)中的溶液中缓慢滴加3.5～4毫升3M/L的盐酸并不断搅拌0.5小时，再缓慢滴加4.6～5.2毫升0.3M/L的草酸并继续搅拌0.5小时形成淡黄色胶束溶液；

(3)将28～30毫升(2)中的胶束溶液转入50ml反应釜并加入25～30克硫酸钾搅拌均匀，然后在180℃的温度下水热处理12～144小时；