[发明专利]过渡金属元素掺杂花状氧化铟气敏材料的制备方法及应用

说明书

本发明通过水热法合成了不同过渡金属元素（Ni、Cu、Zn）及含量（1%、3%、5%）掺杂的花状氧化铟材料。该合成方法不仅适用于Ni、Cu、Zn，同样适用于化合价低于正三价的其他过渡金属元素。本发明采用简单的一步水热法合成不同过渡金属元素掺杂花状氧化铟传感材料，过程简便、容易操作，所制备的花状氧化铟材料具有较好的形貌，且对甲醛具有较高的响应，可用于制作甲醛气体传感器。

技术领域

本发明涉及不同过渡金属元素掺杂的花状氧化铟的制备方法及其在气体传感器中的应用。该传感材料对甲醛具有较高的响应值，可以用于制作甲醛气体传感器。

背景技术

氧化铟是一种N型半导体金属氧化物，可以用作检测环境中有毒、有害气体的传感材料。作为一种重要的半导体传感材料，氧化铟具有较小的电阻率、较宽的禁带以及较稳定的物理化学性能，且对某些气体表现出较好的气敏性能，在气体传感器领域具有潜在地应用价值。掺杂是一种简单且有效的提高气敏性能的方法。元素掺杂是通过一定的方法将某一种元素掺入到主体材料中。由于不同元素的离子半径不同，使得掺入的元素代替主体材料中的元素时会在主体材料中形成缺陷结构，从而改变主体材料的理化性质，提高其在特定领域的应用性能。

大量研究表明：元素掺杂对传感材料的气敏性能产生了显著的影响。

文献[1] Journal of Materials Science 53 (2018) 3267-3279中Duan等人采用静电纺丝工艺合成了纯和Ho掺杂的氧化铟（In₂O₃）纳米管（NTs）和多孔纳米管（PNTs），Ho掺杂In₂O₃ PNTs（2、4、6和8 mol%）明显提高了对100 ppm乙醇的响应值，而且，随着Ho掺杂量的增加，传感器的响应值先升高后降低，掺杂量为6 mol%时具有最高的灵敏度。这可能是因为元素Ho的掺杂替代了In的位置，增加了传感材料的有效位点（氧空位）的数量，导致较多的电子被增加的氧空位所捕获。当将传感器置于空气和乙醇中时，传感器的响应会变化很快。

文献[2] Sensors and Actuators B, Chemical 241 (2017) 806-813中Yang等人采用纳米浇铸法合成了纯和Zr掺杂的介孔In₂O₃，且均具有较大比表面积的长程有序介孔结构。在最佳工作温度75 °C时Zr掺杂样品对500 ppb NO₂的气敏响应（65）比纯样品的响应（35）提高了80%。而且，该传感器还具有较好的选择性。Zr掺杂In₂O₃气敏性能的增强可归因于Zr掺杂增加了材料表面的化学吸附氧，减小了晶粒尺寸，而有序孔隙和高比表面积的介孔结构可以促进NO₂分子的吸附和扩散。

文献[3] Nanoscale 8 (2016) 10622-10631中Wang等人采用简单的胶体晶体模板法制备了碱金属掺杂3DOM WO₃材料，测试这些材料对低浓度NO₂的气敏性能，结果表明3DOM WO₃/Li在最佳工作温度150 °C时对500 ppb NO₂灵敏度是纯样品的7倍左右。碱金属掺杂样品尤其是3DOM WO₃/Li对气敏性能的改善是由于结构缺陷和载流子迁移率的增加而引起的。

本发明采用水热法合成了不同过渡金属元素（Ni、Cu、Zn）掺杂的花状In₂O₃材料，并将其应用于甲醛气体的检测，这在已经报道的资料中尚未发现。

发明内容

本发明的目的是制备形貌均匀的不同过渡金属元素掺杂的花状In₂O₃传感材料，研究不同元素掺杂对甲醛气体气敏性能的影响。该传感材料对甲醛具有高的响应，可以用于制作甲醛气体传感器。