[发明专利]基于介孔氧化铟气敏材料的气体传感器及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机多孔材料应用领域。更具体的说涉及一种利用纳米浇铸法反向复制制备多孔氧化铟气敏材料并应用于高气敏性能的气体传感器的方法。

背景技术

基于金属氧化物半导体的气敏器件由于具有价格低廉、气敏性好、易于组装、体积小等优点而被广泛应用于生活和工业气体传感领域。为了进一步提升其气体传感性能，气敏材料的纳米结构的设计成为发展的重要方向，包括零维纳米粒子气敏材料、一维纳米线棒等材料、二维纳米片盘等结构和三维纳米材料。其中三维介孔纳米结构气敏材料的制备吸引了广泛的关注，这是由于其既具有零维一维及二维纳米材料的大比表面积、多的吸附活性位点的优势，同时又避免了这些纳米材料在应用过程中易团聚的弊端；介孔孔道尺寸在2-50nm之间，既利于增加气体分子的有效吸附面积，又利于减少气体分子的传质距离，从而能有效提高其气敏性能并减少响应时间。软模板法和硬模板法（纳米浇铸法）是制备介孔材料两种常用方法，其中软模板法在制备金属氧化物材料时，由于软模板的高温稳定性差，介孔孔道在高温去除软模板的过程中容易坍塌，造成介孔有序性偏低；而硬模板法有效避免了这一问题，这是由于硬模板在高温下能稳定存在，起到良好的硬支撑作用，从而保证煅烧转晶过程中介孔孔道得到很好的保存。介孔金属氧化物的介孔形貌结构与其气敏性能间具有很大的关联性。目前硬模板法所制备的介孔金属氧化物材料由于转晶过程中不可避免的体积收缩，其介孔有序性和粒子尺寸较小，多次填充的方法有一定程度的改善，但由于孔道在第一次填充过程中会有部分堵塞，后续的填充过程就因此收效有限，因此影响了其气敏性能的进一步提升。如何寻求最优的介孔金属氧化物孔形貌结构，从而制备出高传感性能和高选择性能的的气敏材料成为提升气敏器件性能的关键。我们的研究发现通过改变煅烧容器开口面积与样品量的比，可以控制转晶过程中前躯体中水和副产物气体的逸出速率，从而控制转晶过程在固相或液相中进行，从而最终调控所制备介孔金属氧化物材料的介孔有序性形貌。

氧化铟是一种常用的半导体气敏材料，可应用于测定部分氧化性气体和部分还原性气体。目前应用的氧化铟气体传感器由于不具备介孔结构的大比表面积和多的活性位点特征，很难兼顾高气敏性和高选择性，因此需要进一步改进材料的形貌结构从而提升其综合气敏性能。

发明内容

本发明的目的是克服现有氧化铟气体传感器难兼容高气敏性和和高选择性的问题，提供一种以介孔氧化铟为气敏材料的气体传感器制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于介孔氧化铟气敏材料的气体传感器，以介孔氧化铟气敏材料作为传感器的传感层。

本发明的传感器的制备方法，采用以纳米浇铸法制备的介孔氧化铟作为气敏材料，配制涂覆浆料浓度为0.02-0.2g/mL，经涂覆制备气体传感器的传感层厚度为500nm～300um。

本发明所述的介孔氧化铟气敏材料的制备方法为：是在纳米浇铸法的基础上通过控制煅烧容器开口面积与煅烧混合物样品量的比（10^-6–1m²/g），调控所制备介孔金属氧化物材料的介孔有序性形貌，具体机理及制备方法请参见文献（Xiaohong Sun等，Container Effect in Nanocasting Synthesis of Mesoporous Metal Oxides”,Journal of the American Chemical Society,2011,133,14542–14545）；纳米浇铸法所采用的硬模板是有序介孔氧化硅材料，通过纳米浇铸制备有序介孔氧化铟气敏材料。

所述的有序介孔氧化硅硬模板是指KIT-6分子筛、SBA-15分子筛或MCM-41分子筛之一。

所述的有序介孔氧化硅硬模板与五水硝酸铟前躯体的质量比范围为0.1-100。

所述的纳米浇铸法制备过程中的煅烧温度范围为200-800℃，保温时间范围为0.2-20h。

介孔氧化铟气敏材料的制备流程为：将有序介孔氧化硅硬模板分散到乙醇溶剂中，加入五水硝酸铟前躯体，室温搅拌浸渍，从而使铟前躯体浸入到氧化硅介孔孔道中，然后挥干乙醇溶剂，并将得到的煅烧混合物样品装入到具有一定开口面积的煅烧容器中，在一定的煅烧温度下煅烧并保温一定时间。然后用氢氧化钠溶液搅拌后离心的方法以除去氧化硅模板，得到有序介孔的氧化铟材料。