[发明专利]一种基于分级多孔WO3微米球的气体传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体氧化物的气体传感器技术领域，具体涉及一种基于分级多孔WO₃微米球的气体传感器及其制备方法。

背景技术

在我国工业化的进程中，随着科学技术的发展以及工业规模的不断扩大，特别是在矿产、煤炭、化工、石油、汽车等领域，在产品的生产过程以及使用过程中，产生的有毒有害、易燃易爆气体种类越来越多，导致环境污染日趋加重。随着人们环保意识的不断加强，为了提高生活质量，研制和开发高性能的气体传感器对大气进行监控、易燃气体进行报警、有毒有害气体进行检测将具有十分重要的现实意义。

在种类众多的气体传感器中，以半导体氧化物作为气敏材料制备而成的气体传感器具有灵敏度高、响应/恢复快速和价格低廉等优点，其气敏反应机制主要是属于表面电阻控制型，即基于半导体氧化物表面的吸附氧离子与被检测气体之间的反应，并利用由此而产生的半导体氧化物的电导或电阻变化来测定对被检测气体的响应情况。目前市售的半导体氧化物气体传感器普遍采用的是传统的SnO₂、ZnO、TiO₂、WO₃等相应的致密性薄膜作为气敏材料，但是受制于致密性薄膜比表面积较小的限制，从而导致灵敏度低和响应/恢复时间较长。因此，目前研究人员把更多的注意力关注在具有多孔结构的微米/纳米材料的合成和应用上，以提供比表面积更加优良的气敏材料。

WO₃作为一种n型半导体氧化物材料，具有非常优异的光催化、气敏特性及吸附性能，因而在太阳能电池、节能减排、气体传感器及废水处理等方面具有广泛的用途。WO₃材料的常用制备方法包括固相法、液相法和气相法。然而，以往对于液相法合成WO₃微米/纳米材料的水热合成法研究中，仅局限于考察单一辅助剂（如十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）、十二烷基苯磺酸钠（SDBS）、十二烷基磺酸钠（SDS）、硫酸钾（K₂SO₄）、硫酸钠（Na₂SO₄）、柠檬酸（C₆H₈O₇）、草酸（H₂C₂O₄）、聚乙二醇（PEG）等）对WO₃材料的结构、形貌以及特性影响，而对于在混合辅助剂条件下制备WO₃材料的相关研究则相对空白。此外，目前大多数半导体氧化物气体传感器均在200℃以上的工作温度下才能得到较好的气敏特性，导致了检测能耗高和传感器集成的复杂性。因此，进一步提高低温条件下气体传感器的气敏特性也是目前的研究热点。

发明内容

针对目前水热合成法中采用混合辅助剂来制备WO₃微米/纳米材料研究方面存在的空白，本发明提供一种基于分级多孔WO₃微米球的气体传感器及其制备方法，目的是通过水热合成法在混合辅助剂——硫酸钾（K₂SO₄）和草酸（H₂C₂O₄）的条件下制备出具有结晶好、比表面积大、孔隙率高、产量大的分级多孔WO₃微米球，并利用这些分级多孔WO₃微米球制作成灵敏度高、可逆性好、响应/恢复快速、选择性好、低工作温度等优点的气体传感器，以克服现有的气体传感器存在的响应/恢复速度慢和工作温度高等带来的高能耗等问题。

实现本发明目的的基于分级多孔WO₃微米球的气体传感器，包括铂金导线、陶瓷管、气敏涂层、叉指金电极和加热丝，其中所述的加热丝从陶瓷管中穿过并将其两端焊接在基座的加热电极上，叉指金电极覆在陶瓷管外表面并通过铂金导线焊接在基座的测量电极上，气敏涂层涂覆在叉指金电极外表面；所述的气敏涂层的成分为分级多孔WO₃微米球，分级多孔WO₃微米球具有单一的六方相晶体结构，球体大小均匀且个体分散性好，直径在3~5μm之间，每个分级多孔WO₃微米球由直径为纳米级的WO₃纳米棒组装而成，具有大比表面积和孔隙率。

本发明的一种基于分级多孔WO₃微米球的气体传感器的制备方法，按照以下步骤进行：