一种在陶瓷管上原位生长Fe2O3纳米针的方法技术

本发明专利技术涉及一种在陶瓷管上原位生长Fe2O3纳米针的方法，属于纳米传感器的制备技术领域。本发明专利技术的方法，包括以下步骤：（1）将陶瓷管置于氯化铁和硫酸钠的混合溶液中，进行水热反应；（2）水热反应完成后，将陶瓷管在马弗炉中进行退火处理。本发明专利技术实现在陶瓷管上原位生长Fe2O3纳米针的关键之处在于反应原料，及水热反应条件的控制。本发明专利技术首次公开了在氧化铝陶瓷管上原位生长氧化铁纳米针状的方法。本发明专利技术的方法，无需事先制备出涂覆法所需粉末，无需手工涂覆；而是在氧化铝陶瓷管上直接生长出针状结构氧化铁。针状结构纳米氧化铁的制备过程也是气敏陶瓷管的制备过程；步骤简单、耗时短；简化了传统气敏陶瓷管的制备工艺，省时省力，节约成本。

Method for in-situ growing Fe2O3 nano needle on ceramic tube

The invention relates to a method for in-situ growing Fe2O3 nano needles on a ceramic tube, which belongs to the technical field of the preparation of nanometer sensors. The method of the invention comprises the following steps: (1) the mixed solution of the ceramic tube is placed in the ferric chloride and sodium sulfate in the hydrothermal reaction; (2) completed after the hydrothermal reaction, the ceramic tube were annealed in a muffle furnace. The invention realizes the growth of Fe2O3 nano needle in a ceramic tube in situ, and the key is that the reaction material and the control of the hydrothermal reaction condition are controlled. The invention discloses a method for in-situ growing iron oxide nano needle on an alumina ceramic tube. The method of the invention does not need to prepare the powder required by the coating process in advance, and does not need to be coated by hand; but the needle structure iron oxide is directly grown on the alumina ceramic tube. The preparation process of acicular structure nano iron oxide is also the preparation process of the gas sensitive ceramic tube. The process is simple and time-consuming, and the preparation process of the traditional gas sensitive ceramic tube is simplified, saving time and labor, and saving the cost.

【技术实现步骤摘要】
一种在陶瓷管上原位生长Fe2O3纳米针的方法
本专利技术涉及一种在陶瓷管上原位生长Fe2O3纳米针的方法，属于纳米传感器的制备

技术介绍
随着人类科技和工业社会的发展，各种易燃、有毒有害气体的应用越来越广泛。由于我们人类自身感知范围的局限性，对这些有毒有害气体的种类及浓度定量没有判断能力。因此，如何对这些气体作出快速而准确地检测变得尤为重要。Fe2O3材料是一种n型半导体材料，它的禁带宽度较窄（Eg=2.2eV），并且具有良好的稳定性，因此可以作为气敏材料。当前，人们已经掌握了采用不同物理、化学方法制备出不同形貌的Fe2O3纳米材料，例如：粒状、棒状、环状、针状、核壳状、空心球状、雪花状、海胆状、螺旋状等。而氧化铁材料的气敏机理为表面电阻型，与气体的响应过程主要是发生在材料的表面。即所制备的氧化铁材料的比表面积越大，其气敏性能越出色。与传统的氧化铁平面薄膜材料相比较，具有良好一维形貌的Fe2O3纳米针材料无疑具有更大的比表面积，所以在气敏传感器领域更加具有应用价值。目前，以氧化铝陶瓷管为衬底的气敏元件的制备方法包括以下几种：粉末涂覆法和籽晶层辅助生长法；其中较为先进的方法是：首先在氧化铝陶瓷管的表面形成籽晶层，然后在籽晶层的辅助下在籽晶层表面生长纳米材料。但是这种先形成籽晶层再生长纳米材料的方法仍然存在以下有待改进的地方：1）籽晶层溶液的配制需要较繁琐的步骤，且一般还需静置12h以上；2）籽晶层覆盖到氧化铝陶瓷管表面上后，还需在空气中自然晾干12h以上。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种直接生长于陶瓷管的氧化铁纳米针的新的制备方法。技术方案一种在陶瓷管上原位生长Fe2O3纳米针的方法，包括以下步骤：（1）将陶瓷管置于氯化铁和硫酸钠的混合溶液中，进行水热反应；所述氯化铁和硫酸钠的混合溶液，氯化铁和硫酸钠的浓度均为0.05mol/L；水热反应温度为125-155℃，不包含155℃，水热反应时间为6-18h；（2）水热反应完成后，将陶瓷管在马弗炉中进行退火处理；退火条件为：以3-4℃/min的速率升温至600-700℃，保温1.5-2.5h，然后自然冷却至室温。本专利技术的方法：首先，与“先在氧化铝陶瓷管的表面形成籽晶层，然后再在籽晶层表面生长纳米材料”的现有方法相比，本专利技术是直接在氧化铝陶瓷管表面上生长出氧化铁纳米针，并不需要“在氧化铝陶瓷管的表面形成籽晶层”的步骤；更加简单。其次，本专利技术实现在陶瓷管上原位生长Fe2O3纳米针的关键之处在于，采用0.05mol/L的硫酸钠溶液和0.05mol/L的氯化铁溶液作为反应原料，及水热反应条件的控制。本专利技术通过实验研究发现，采用相同浓度的氯化亚铁或硝酸铁溶液代替氯化铁溶液，均无法获得本专利技术的“纳米针”形貌。由此可见，虽然氯化铁、氯化亚铁和硝酸铁均为常见铁源，而且在水热反应中通常可以相互替换，但是，在本专利技术中却超出了预期、产生了完全不同的技术效果。而采用本专利技术水热条件以外的温度、时间条件，或者无法获得本专利技术的“纳米针”形貌，或者会导致电极丝发生脱落。例如，当水热温度为155℃时，电极丝发生脱落；而在通常情况下，155℃的温度不会导致电极丝脱落。因此，低于155℃的温度条件同样在本专利技术中超出本领域技术人员的预期、产生防止电极丝脱落的技术效果。上述方法，优选的，水热反应温度为140℃。当水热生长温度为140℃时所获得的纳米针结构更为理想（结构更为理想是指纳米针有较大的长径比，尺寸均一，分布较为均匀，纳米针结晶良好、彼此相互连接形成网络、取向一致）。上述方法，优选的，水热反应时间为12h。当水热反应时间为12h时所获得的纳米针结构更为理想（结构更为理想是指纳米针有较大的长径比，尺寸均一，分布较为均匀，纳米针结晶良好、彼此相互连接形成网络、取向一致）。上述方法，为了在氧化铝陶瓷管上获得生长形貌良好的氧化铁，优选的，陶瓷管在使用之前用丙酮、乙醇分别超声30min。本专利技术还提供了一种采用上述方法制备的表面生长有Fe2O3纳米针的氧化铝陶瓷管。其中，氧化铝陶瓷管的尺寸，可以根据具体生产需要进行确定；例如，长度为4mm，内径1mm，外径1.4mm。本专利技术还提供了一种氧化铁/氧化锡纳米针异质结陶瓷管，是利用脉冲激光沉积技术，在上述氧化铝陶瓷管的Fe2O3纳米针表面沉积n型半导体材料氧化锡而成。本专利技术还提供了一种三元复合陶瓷管，是利用脉冲激光沉积技术和物理气相沉积技术，在上述的氧化锡/氧化铁纳米针异质结陶瓷管的异质结表面溅射金颗粒而成。本专利技术还提供了一种采用上述陶瓷管制备的气敏传感器。该气敏传感器可应用于有机气体的检测，包括乙醇、异丙醇、丙酮、笨、对二甲苯、三乙胺等有机气体。该气敏传感器，其氧化铝陶瓷管两端集成金电极，金电极之间相距2mm，金电极上集成四根铂导线。有益效果首次公开了在氧化铝陶瓷管上原位生长氧化铁纳米针状的方法。本专利技术的方法，无需事先制备出涂覆法所需粉末，无需手工涂覆；而是在氧化铝陶瓷管上直接生长出针状结构氧化铁。针状结构纳米氧化铁的制备过程也是气敏陶瓷管的制备过程；步骤简单、耗时短；简化了传统气敏陶瓷管的制备工艺，省时省力，节约成本。本专利技术所制备的原位生长于氧化铝陶瓷管的针状结构氧化铁形貌可控、纳米针结晶良好、分布均匀，纳米针长度约为100nm，彼此相互连接形成网络。本专利技术的氧化铁/氧化锡纳米针异质结传感器，能改善氧化铁纳米针的气敏性能；对三乙胺表现出较好的选择性，且对三乙胺的响应有所提高。附图说明图1为实施例1制备的原位生长于氧化铝陶瓷管的氧化铁纳米针的X射线衍射图谱；图2为实施例1制备的原位生长于氧化铝陶瓷管的氧化铁纳米针的场发射扫描电镜图及EDS能量色散谱图；图3为实施例1制备的气敏传感器的气敏性能图谱；图4为实施例2的原位生长于氧化铝陶瓷管的氧化铁/氧化锡异质结扫描电镜图片；图5为实施例2制备的原位生长于氧化铝陶瓷管的氧化铁/氧化锡/金三元复合纳米结构的扫描电镜图片；图6为本专利技术制备的氧化铁/氧化锡异质结气敏传感器及氧化铁/氧化锡/金三元复合气敏传感器的气敏性能图；图7为实施例3制备的氧化铁纳米针的场发射扫描电镜图片；图8为对比例1制备的原位生长于氧化铝陶瓷管的纳米氧化铁的场发射扫描电镜图片；图9为对比例2制备的原位生长于氧化铝陶瓷管的纳米氧化铁的场发射扫描电镜图片。具体实施方式下面结合实施例及附图对本专利技术作进一步详细的描述。实施例1将氧化铝陶瓷管用丙酮、乙醇、去离子水分别超声30min清洗干净，并烘干备用。将清洗干净的陶瓷管置入装有氯化铁和硫酸钠的混合溶液（混合溶液中，氯化铁和硫酸钠的浓度均为0.05mol/L）高压反应釜中，于140℃下水热生长12h，然后将生长过后的陶瓷管在马弗炉中进行以3℃/min的速率升温至600℃保温2h的退火处理，然后自然冷却至室温；即得到原位生长于氧化铝陶瓷管的氧化铁纳米针。该氧化铁纳米针的X射线衍射图谱如图1所示；从图1可以看出，氧化铁纳米针结晶良好，无其它杂质存在。该氧化铁纳米针的扫描电镜如图2所示；从图2可以看出，Fe2O3纳米针尺寸均一，分布较为均匀，纳米针结晶良好、长度约为100nm，彼此相互连接形成网络。将表面生长有Fe2O3纳米针的氧化铝陶瓷管焊接成气敏传感器测试其气敏性能，如图3所示；从图3中可以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在陶瓷管上原位生长Fe

【技术特征摘要】
1.一种在陶瓷管上原位生长Fe2O3纳米针的方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将陶瓷管置于氯化铁和硫酸钠的混合溶液中，进行水热反应；所述氯化铁和硫酸钠的混合溶液，氯化铁和硫酸钠的浓度均为0.05mol/L；水热反应温度为125-155℃，不包含155℃，水热反应时间为6-18h；（2）水热反应完成后，将陶瓷管在马弗炉中进行退火处理；退火条件为：以3-4℃/min的速率升温至600-700℃，保温1.5-2.5h，然后自然冷却至室温。2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，水热反应温度为140℃。3.根据权利要求1或2所述方法，其特征在于，水热反应时间...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐红燕，翟婷，李文儒，曹丙强，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：山东,37