[发明专利]一种三维多级结构锑掺杂单斜WO3

说明书

本发明公开了一种三维多级结构锑掺杂单斜WO₃的制备方法及其对NO₂的高效灵敏检测。通过锑离子辅助溶剂热和水热法，以六氯化钨为钨源合成过程中调控氯化锑的添加量，成功制备出不同锑掺杂浓度的三维双边纳米棒阵列单斜相WO₃多级结构。该多级结构由纳米棒阵列从中间薄片向两个相反方向生长的自支撑结构，合成产物的尺寸约为3‑5m，表面纳米棒束为几十至几百纳米的松散结构。本发明合成过程操作简便，工艺绿色环保，制备的锑掺杂氧化钨材料可在低温操作条件下，甚至实现室温下超灵敏检测ppm级别NO₂气体，且具有较好的重复性和选择性，这将填补气体传感器在低温NO₂气体灵敏检测在工业领域的需求。

技术领域

本发明属于氧化钨微纳米气敏材料制备技术领域，涉及一种三维多级结构锑掺杂单斜WO₃的制备及检测NO₂的方法。

背景技术

近些年来半导体金属氧化物气体传感器引起了人们的广泛关注，由于其具有良好的灵敏度，易操作和稳定性好。随着气体传感器的发展，现在人们越来越关注如何提升灵敏度，延长使用寿命以及降低生产成本等问题上来。因此，研发半导体金属氧化物气体传感器在相对较低或者常温条件下实现对有毒有害气体的灵敏检测仍然面临巨大的挑战。氧化钨(WO₃)，作为一种众所周知的n型的半导体金属氧化物材料，其禁带宽度约为2.8eV。并且由于其具有不同的性能以及在物理、化学等领域有良好的应用前景开始被人类广泛关注，尤其是具有突出的气敏传感性能，如对二氧化氮气体或者其他挥发性有机化合物的检测。为了提高气体传感材料的灵敏性以及降低器件工作时的操作温度，研究人员主要采取以下两种措施：

第一种措施，掺杂金属或者非金属元素已被认定是最经济和有效的方法来提高材料的灵敏度。这主要是由于杂质离子的掺杂可以改变氧化物纳米晶的禁带宽度和晶格参数。而对于锑掺杂的半导体金属氧化物具有优良的光学和电学性质已逐渐形成一个热门的研究领域。

Hassanetal.等人(Appl.Surf.Sci.,2013,277,73-82)报道了通过溶胶- 凝胶法制备锑掺杂氧化锌的工作，通过控制反应的时间和锑的掺杂量，得出一系列形貌可控的Sb-ZnO，同时研究了材料对O₂,CO₂和丙酮气体的气敏性能得出检测这些气体所需样品的最佳配比为ZnO：Sb为95：5时气敏性能最佳。

Sahayetal.等人(J.Mater.Sci.Mater.Electron.,2015,26,2697-2708) 已经研究了锑掺杂的氧化钨纳米晶薄膜的物理性质，发现锑离子的掺杂使得氧化钨能够增强其电导率。当将锑的掺杂量提高到20％时 (J.Alloy.Compd.,2016,660,336-341)，锑掺杂氧化钨薄膜表现出优良的电化学性能。

Baietal.等人(J.Alloy.Compd.,2017,692,876-884)以钨酸钠为钨源，三氯化锑为锑源，水为溶剂，加入柠檬酸辅助水热反应在温度为120℃条件下保持温度24h，合成出多级球状形貌的锑掺杂氧化钨，发现当掺杂Sb/WO₃为 3.5wt％时其在最佳操作温度为125℃条件下对8ppm的NO₂的灵敏度值约为200，比未掺杂锑的氧化钨样品灵敏度检测值高九倍。

第二种措施，材料自身具有的多级结构，能够为气敏检测过程中提供气体快速吸附、扩散和丰富的活性位点，对于实现低温检测以及灵敏度的提高有着密切的关系。多级结构表现出比较好的通透多孔道结构，颗粒、棒、线、以及片之间几乎没有团聚或者很少团聚的特性使得具有高的比表面积，更加容易与目标气体发生吸附反应使得检测灵敏进行。