一种Fe掺杂NiO复合材料及半导体气敏元件制造技术

本发明专利技术公开了一种Fe掺杂NiO复合材料及半导体气敏元件，所述复合材料方法如下：将含有Fe

A Fe doped NiO composite and semiconductor gas sensor

The invention discloses a Fe doped NiO composite material and a semiconductor gas sensor. The composite material method is as follows: it will contain Fe

【技术实现步骤摘要】
一种Fe掺杂NiO复合材料及半导体气敏元件
本专利技术属于材料领域，尤其涉及一种Fe掺杂NiO复合材料及半导体气敏元件。
技术介绍
丙酮作为一种在化学领域常见的有机试剂和化学中间体，被广泛地应用在塑料、橡胶、油漆、染料和润滑剂等领域。然而丙酮对人体有一定的毒性，500～1000ppm之间会刺激鼻、喉，1000ppm时可出现头晕现象。当环境中的丙酮浓度达到2000-10000ppm时，可能导致头痛、支气管炎，甚至是昏迷等症状。NiO自身作为一种重要的P型半导体材料，拥有宽且稳定的能带，巨大的比表面积，以其独特的电化学性质和内部结构特征让它在气敏领域拥有巨大的发展空间，吸引了大批科研者的研究，但纯相NiO纳米材料的敏感度相对较低，极大地限制了它的应用。
技术实现思路
针对现有纯相NiO纳米材料敏感度低的问题，本专利技术提供一种Fe掺杂NiO复合材料，通过水热法将Fe阳离子掺杂到纳米NiO中，得到对丙酮气体气敏性能优异的纳米复合材料，同时本专利技术还提供了含有所述复合材料的半导体气敏元件。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：将含有Fe3+的盐、含有Ni2+的盐以及六次甲基四胺加入到含有乙醇铵的乙醇水溶液中，制成混合溶液；再将所述混合溶液置于高温反应釜中反应，反应物经洗涤干燥后，得到Fe掺杂NiO前驱体，将所述前驱体煅烧后，即得到Fe掺杂NiO复合材料。作为优先，所述混合溶液中，Fe3+、Ni2+和六次甲基四胺的摩尔比为0.03:1:1，乙醇胺、乙醇和水的体积比为2:6:9，Ni2+和乙醇胺的摩尔体积比为1mmol:2ml。作为优先，所述含有Fe3+的盐为六水合三氯化铁；含有Ni2+的盐为六水合氯化镍。作为优先，所述高温反应釜中反应温度为150~170℃，反应时间为10~14h。作为优先，所述煅烧温度为330~360℃，煅烧时间为40~80min。作为优先，所述干燥温度为70~90℃，干燥时间为10~12h。为得到高灵敏度选择性好的NiO复合气敏材料，本专利技术采用水热法，成功地制备出了对丙酮气敏性优异的Fe掺杂NiO复合材料，与纯相的NiO气敏材料相比，具有更高的气体敏感度和优异的选择性等诸多优点。本专利技术提供的半导体气敏元件，包括上述Fe掺杂NiO复合材料，由以下步骤制备得到：（1）将Fe掺杂NiO复合材料与松油醇混合，得到粘稠的浆液；（2）将浆液均匀的涂抹在半导体陶瓷管上，再将该半导体陶瓷管置于50~70℃下干燥，去除松油醇，再置于大气环境中，加热至200~220℃并老化24~26h，即得到表面覆着Fe掺杂NiO层的半导体气敏元件。本专利技术制备的Fe掺杂NiO复合材料的半导体气敏元件，可实现针对丙酮气体的敏感度检测，在280℃、100ppm的丙酮浓度下，气体敏感度高达21.8。相比现有技术，本专利技术具有如下有益效果：1、本专利技术制备的Fe掺杂NiO复合材料对于丙酮气体有着优异的敏感度，在低温280℃，100ppm的丙酮浓度下，气体敏感度高达21.8，是相同条件下，纯相NiO的6倍。2、本专利技术制备的Fe掺杂NiO复合气敏元件在被测气体范围（丙酮、氨水、甲醇、苯、甲苯、甲醛和乙醇）中对于丙酮气体有着高的选择性。3、本专利技术采用水热法制备Fe掺杂NiO复合材料，使用设备小，绿色环保，易于实现，便于推广。4、本专利技术制备的Fe掺杂NiO复合材料，Fe的引入使得NiO晶粒尺寸发生了改变，从而增大了复合材料的比表面积，使得样品表面活性位点增多，十分有利于气敏反应的发生；Fe的引入还降低了样品的载流子密度，加速了气敏反应，从而使得更多的气体分子可以与样品表面的吸附性氧进行反应。附图说明图1为实施例1、实施例2制备的气敏元件在工作温度为280℃、浓度为100ppm下对不同气体的敏感度对比图；图2为气敏反应示意图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。实施例一采用以下方法制备Fe掺杂NiO复合材料：1）将2mmol六次甲基四胺（乌洛托品）固体分散在含有4mL乙醇胺的30mL乙醇水溶液中（V乙醇：V水=2:3），搅拌均匀，形成混合溶液A；2）将6×10-2mmol三氯化铁和2mmol的六水合氯化镍加入到混合溶液A中，混合均匀后，形成混合溶液B；3）将混合溶液B装入聚四氟乙烯高温反应釜中，在160℃下反应12小时，得到反应产物；4）所得反应产物分别用乙醇和去离子水进行洗涤，放入80℃干燥箱中干燥12h，得到Fe掺杂NiO前驱体；5）将Fe掺杂NiO前驱体在350℃煅烧1h得到黑色的Fe掺杂NiO纳米复合材料。再使用上述合成的Fe掺杂NiO复合材料来制备表面覆着Fe掺杂NiO层的半导体气敏元件，制备方法如下：（1）将所述Fe掺杂NiO复合材料与松油醇混合，得到粘稠的浆液；（2）将浆液均匀涂抹在半导体陶瓷管上，再将该半导体陶瓷管置于60℃下干燥，去除松油醇，然后置于大气环境中，加热至200℃并老化24h，即得到表面覆着Fe掺杂NiO层的半导体气敏元件。实施例二采用以下方法制备纯相NiO材料：1）将2mmol六次甲基四胺（乌洛托品）固体分散在含有4mL乙醇胺的30mL乙醇水溶液中（V乙醇：V水=2:3），搅拌均匀，形成混合溶液A；2）将2mmol的六水合氯化镍加入到混合溶液A中，混合均匀后，形成混合溶液B；3）将混合溶液B装入聚四氟乙烯高温反应釜中，在160℃下反应12小时，得到反应产物；4）所得反应产物分别用乙醇和去离子水进行洗涤，放入80℃干燥箱中干燥12h，得到纯相NiO材料；5）将纯相NiO前驱体在350℃煅烧1h得到黑色的纯相NiO纳米复合材料。再使用上述合成的纯相NiO材料来制备表面覆着纯相NiO层的半导体气敏元件。实验测试将工作温度设定为280℃，分别通入100ppm的氨水、苯、丙酮、甲苯、甲醇、甲醛和乙醇气体，以考察表面覆着Fe掺杂NiO层的半导体气敏元件和纯相NiO层的半导体气敏元件对不同气体的敏感度。敏感度的柱状图如图1所示，从图中可以清楚地看到，Fe掺杂NiO样品对丙酮的敏感度明显高于纯相NiO样品（响应值约为21.8，是纯相NiO的6倍）；相对于其它气体，样品Fe掺杂NiO对丙酮表现出优异的选择性（在其它气体中，响应值均明显低于在丙酮气氛中的响应值），表明本专利技术制备的复合材料对丙酮有良好的特征性反应，可用于制备性能优异的气敏材料。这样优异的气敏性能可能是由于下列原因：Fe的引入使得NiO晶粒尺寸发生了改变，从而增大了复合材料的比表面积，使得样品表面活性位点增多，十分有利于气敏反应的发生；Fe的引入还降低了样品的载流子密度，加速了气敏反应，从而使得更多的气体分子可以与样品表面的吸附性氧进行反应。气敏反应示意图如图2所示。综上所述，本专利技术制备的Fe掺杂NiO复合材料对丙酮气体有着优于纯相NiO的气敏性能。本专利技术的上述实施例仅仅是为说明本专利技术所作的举例，而并非是对本专利技术的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本专利技术的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本专利技术的保护范围之列。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Fe掺杂NiO复合材料，其特征在于，制备方法如下：将含有Fe

【技术特征摘要】
1.一种Fe掺杂NiO复合材料，其特征在于，制备方法如下：将含有Fe3+的盐、含有Ni2+的盐以及六次甲基四胺加入到含有乙醇铵的乙醇水溶液中，制成混合溶液；再将所述混合溶液置于高温反应釜中反应，反应物经洗涤干燥后，得到Fe掺杂NiO前驱体，将所述前驱体煅烧后，即得到Fe掺杂NiO复合材料。2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述混合溶液中，Fe3+、Ni2+和六次甲基四胺的摩尔比为0.03:1:1，乙醇胺、乙醇和水的体积比为2:6:9，Ni2+和乙醇胺的摩尔体积比为1mmol:2ml。3.根据权利要求1或2所述的复合材料，其特征在于，所述含有Fe3+的盐为六水合三氯化铁；含有Ni2+的盐为六水合氯化镍。4.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述高温反应釜...

【专利技术属性】
技术研发人员：王红，林果，雷英，
申请(专利权)人：四川理工学院，
类型：发明
国别省市：四川,51