[发明专利]p型半导体金属氧化物掺杂有序介孔氧化钨气敏材料及其制备方法

说明书

本发明属于先进纳米材料技术领域，具体为p型半导体金属氧化物掺杂有序介孔氧化钨气敏材料及其制备方法。本发明是通过溶胶‑凝胶化学合成法，以两亲性嵌段共聚物作为结构导向剂，亲水嵌段通过氢键以及配位作用与p型半导体过渡金属氧化物及氧化钨前驱物种在溶液中进行组装，经过溶剂挥发诱导共组装以及高温热处理，得到p型半导体金属氧化物掺杂的有序介孔氧化钨材料。该材料具有高度有序的介孔结构，高的比表面积和较大的孔径，其独特的介孔结构以及p‑n半导体异质结的作用，可用于制备的气体传感器，对硫化氢气体具有极好的灵敏度和选择性，超快的响应和恢复时间。本发明方法简单可控，适于放大生产，在气体传感领域具有广阔应用前景。

技术领域

本发明属于先进纳米材料技术领域，具体涉及一种p型半导体金属氧化物掺杂有序介孔氧化钨气敏材料及其制备方法。

背景技术

随着物联网技术的快速发展，各种传感器技术被广泛应用于生活实际中，为工业生产、环境监测和生活质量的提高做出了重要的贡献。在诸多类型的传感器中，基于半导体金属氧化物材料（氧化钨、氧化锡、氧化锌和氧化铟等）制备的气体传感器具有极为优越的性能，包括较好的长期稳定性，较低的生产成本，以及易于实现实时控制等。这些优点使其能够广泛应用于食品安全，空气质量检测和医疗诊断等各种方面。

由于气体传感过程涉及固-气界面反应，人们普遍认为，具备高比表面积和丰富活性界面的金属氧化物材料非常有利于提高气体传感器的传感性能。基于以上考虑，具有有序排列均一孔径（2.0-50 nm）的介孔结构、晶化孔壁和高比表面积的介孔半导体金属氧化物的合成引起了很多研究者的兴趣。对于气固界面反应而言，大量的活性位点和多孔连通的介观结构更加有利于气体的传输。同时，将p型和n型半导体组合会形成异质结构复合物，有效降低表面反应的活化能，增加金属氧化物载体的缺陷，增加吸附氧浓度，对气体传感性能的提升起到了很重要的作用。综上可见，p型半导体金属氧化物（如氧化铜、氧化镍、四氧化三钴等）掺杂的介孔n型半导体金属氧化物材料能够充分利用上述两类优势，从而用于制备具有高灵敏度、高选择性和快速响应-恢复的高性能气体传感器。但是到目前为止，现有报道的p型半导体金属氧化物掺杂的介孔n型半导体金属氧化物合成步骤繁杂，需要提前制备好载体；同时载体的孔结构不可控，其稳定性较差，难以应用于大规模生产。此外，大部分所合成的材料所具备介孔的无序性对物质传输产生了负面的影响。（Kim H J, Lee J H.Sens. Actuators B, 2014, 192: 607-627; Cheng J P, Wang B B, Zhao M G, et al.Sens. Actuators B, 2014, 190: 78-85; Woo H S, Kwak C H, Chung J H, et al.Sens. Actuators B, 2015, 216: 358-366; Gu C, Cui Y, Wang L, et al. Sens. Actuators B, 2017, 241: 298-307; Yu J H, Choi G M. Sens. Actuators B, 2001,75(1-2): 56-61; Hwang I S, Choi J K, Kim S J, et al. Sens. Actuators B, 2009,142(1): 105-110; Shukla S, Seal S, Ludwig L, et al. Sens. Actuators B, 2004,97(2-3): 256-265; Kim H J, Jeong H M, Kim T H, et al. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6(20): 18197-18204.）。