[发明专利]一种纳米二氧化锡气敏材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体氧化物气敏材料领域，具体涉及一种碳修饰的SnO₂纳米气敏材料的制备方法。

背景技术

二氧化锡(SnO₂)是一种重要的半导体材料，具有载流子迁移率高、化学稳定性好、价格低廉等优点，一直是人们研究的热点。同时，SnO₂性能稳定，气体响应值高，可通过掺杂实现气体的选择性响应，是研究最多、使用最广泛的半导体气敏材料之一。SnO₂属于n型半导体，主要缺陷为氧空位和锡间隙原子，当SnO₂处在空气气氛中时，O₂分子以化学吸附的形式(O₂^-、O^-、O^2-)附着在于SnO₂表面，形成电子耗尽层和空间势垒，导致SnO₂的电导率降低；此后，若空间中存在待检测还原性气体时，表面吸附态氧与还原性气体发生反应，原本被化学吸附态氧俘获的电子又重新回到SnO₂中，导致SnO₂的电导率重新升高。因此，通过测试SnO₂材料电导率的改变就可达到检测气体及其浓度的目的。

发明内容

本发明提供了一种碳修饰的SnO₂纳米气敏材料的制备方法，通过高温诱导乙炔气体分解，生成的碳颗粒在SnO₂表面沉积形成碳层，然后在惰性气氛中退火处理，调控表面碳层的成分和形貌，最终得到气敏性能增强的碳修饰的SnO₂纳米气敏材料。本发明与现有的金属氧化物半导体气敏材料制备方法如通过溅射或蒸发制备金属氧化物半导体薄膜、溶胶凝胶法制备特殊形貌的纳米颗粒、修饰掺杂贵金属如Pt、Pd、Au等方法相比，具有工艺简单、成本低的优点，并且能显著提升SnO₂气敏材料的气敏性能。

本发明的技术方案如下：

一种纳米二氧化锡气敏材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将SnO₂粉末置于真空管式炉中，在惰性气氛下升温至200～600℃，保温30～60min；

步骤2：保持真空管式炉内温度不变，同时通入流量为10～100mL/min的惰性气体和流量为20～150mL/min的乙炔(C₂H₂)气体，至通入的乙炔的体积与SnO₂的质量的比为20～3000mL/g时，停止通入乙炔，并维持惰性气体流量不变，以3～10℃/min的降温速率冷却到室温，即得到碳包覆的SnO₂颗粒粉末；

步骤3：将步骤2得到的碳包覆SnO₂颗粒粉末置于真空管式炉内，在惰性气氛下300～800℃退火处理1～12h，即得到本发明所述碳修饰SnO₂纳米气敏材料。

本发明的有益效果为：本发明通过常压化学气相沉积法，即在高温环境下通入乙炔气体，利用乙炔热稳定性差、易分解为碳和氢，并且生成的碳颗粒在SnO₂表面沉积得到碳包覆的SnO₂颗粒，然后在惰性气氛下退火处理，得到碳修饰的纳米SnO₂气敏材料。与未处理SnO₂粉末相比较，本发明所述碳修饰纳米SnO₂气敏材料灵敏度、选择性等气敏性能均得到显著提高；相对于其他气敏材料性能提升方法，如通过溅射或蒸发制备金属氧化物半导体薄膜、溶胶凝胶法制备具有特殊微结构形貌的纳米材料、修饰掺杂贵金属如Pt、Pd、Au等方法，本发明具有工艺简单、成本低的优点，且得到的碳修饰的SnO₂纳米气敏材料的气敏性能有显著提高，在气敏材料领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例1～5制备的碳修饰的纳米SnO₂气敏材料对1000ppm的乙炔气体响应灵敏度随测试温度的变化曲线，其中S1、S2、S3、S4和S5样品分别为实施例1、2、3、4、5得到的样品；S0为未修饰的SnO₂样品；

图2为本发明实施例1～5制备的碳修饰的纳米SnO₂气敏材料的XRD图谱；

图3为本发明实施例3制备的碳修饰的纳米SnO₂气敏材料的部分Raman光谱；