四氧化三钴/五氧化二钽纳米异质结构空心球、其制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种四氧化三钴/五氧化二钽纳米异质结构空心球，该空心球球壳由五氧化二钽纳米颗粒构成，四氧化三钴纳米颗粒附着在球壳表面，四氧化三钴和五氧化二钽形成异质结，球壳厚度在5nm，纳米颗粒大小为2到10nm，空心球直径在80～500nm。本发明专利技术利用模板吸附方法通过配置不同金属离子溶液和后续的退火处理制备得到纳米异质结构空心球。空心球比表面积为70.6m

Four oxide three cobalt / five oxide two tantalum nano heterogeneous hollow spheres, preparation method and application thereof

The invention discloses a four oxidation three / five cobalt oxide two tantalum nano heterostructures, hollow sphere, the hollow sphere shell consists of five nanoparticles composed of tantalum oxide two, four oxidation three cobalt nanoparticles attached on the surface of the shell, four three and five two cobalt oxide tantalum oxide formed heterojunction, shell thickness in 5nm, nano particle size of 2 to 10nm, the hollow ball diameter in 80 ~ 500nm. The invention uses the template adsorption method to prepare nano heterogeneous hollow spheres by configuring different metal ion solutions and subsequent annealing treatment. The specific surface area of hollow spheres is 70.6m

【技术实现步骤摘要】
四氧化三钴/五氧化二钽纳米异质结构空心球、其制备方法及应用
本专利技术涉及电子气敏器件
，具体涉及四氧化三钴和五氧化二钽的纳米异质结构空心球、其制备方法及其气体传感器。
技术介绍
随着近年高速发展的生活水平，私家车的占有率依旧不断上升，随之而来的交通事故也频频发生，其中酒后驾车更是引发交通事故的罪魁祸首，在给自身及他人生命安全经济财产带来巨大威胁的同时，也严重威胁了我国经济水平的发展。同时，酒精属于易燃易挥发性物质，在工厂中，酒精泄漏的检测具有极其重要的意义。因此，酒精检测仪在生活和生产中都具有极大的实用价值和巨大的市场要求。现在用于检测气体中酒精含量的设备有：半导体型检测仪，红外型检测仪，色谱分析型检测仪和比色型检测仪。综合考虑成本、灵敏度、准确度等因素，半导体型气敏检测仪的实用率最广。金属氧化物半导体气体传感器因其优异的性能和广泛的应用领域而受到了大量关注。在金属氧化物半导体气体传感器中，现在使用频率最广的往往是氧化锡，氧化锌等n型半导体氧化物气体传感器，这类氧化物虽然有较好的灵敏度和稳定性，但是往往需要较高的检测温度，而长时间的高温下检测不仅会导致灵敏度和稳定性下降，还会增加使用成本和带来一定的潜在危险性。今年来，各种方法备用来提升气体传感器的灵敏度和降低其温度，例如，贵金属修饰，过渡金属修饰和制备异质结。在这些方法中，制备异质结是最为广泛和常用的方法，因为它不仅制备成本低而对环境无污染无破坏。对于利用功能性材料制造的气体传感器，其性能取决于功能性材料的种类、结构与形貌的综合协同作用。对于金属氧化物半导体气敏材料传感器，其性能取决于金属氧化物的种类、结构与形貌的综合协同作用。纳米材料由于具有表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应等特性而广受关注。从空间维度的角度出发，纳米材料可以划分为：零维纳米材料，如纳米粒，原子团簇等；一维纳米材料，如纳米线，纳米片，纳米管，纳米棒等；二维纳米材料，如超薄膜，超晶格等；三维纳米材料，如纳米球，纳米盒等。纳米材料的物理和化学性能很大程度上取决于材料的种类、结构与形貌。三维材料由于其比表面积大的优势，在催化、储能、光学、传感方面具有极大的开发潜能。其中，纳米空心球相较于其他纳米材料而言，往往具有更大的比表面积，与气体更大的接触面积。灵敏度、选择性和稳定性是评判气体传感器性能的最重要的指标，对于气体传感器而言，这三个指标作为一个整体对气体传感器进行综合评判的指标。传感器的灵敏度是指，通入目标气体后的电阻Rg，与在空气中的初始电阻Ra的比值(S＝Rg/Ra)。当传感器在较低温度下工作时，其材料表面吸附的氧负离子较少，可进行气敏反应的活性位点也较少，所以灵敏度普遍较低甚至无气敏检测性能。选择具有较大比表面积或者暴露面活性位点较多的材料用于气敏检测，可以提升传感器的灵敏度。传感器的选择性是指，在有干扰气体的环境氛围中，传感器只对某种气体有反应，或者对此种气体的灵敏度远远高于其他气体。良好的选择性是气敏传感器可用于检测对应气体的前提，气敏材料具有良好的选择性时，才能排除检测环境中其他气氛的干扰，保证检测结果的可靠性。传感器选择性的高低可通过目标气体灵敏度与干扰气体灵敏度的比值来表征，比值越高，说明传感器的选择性越好。传感器的稳定性是指，传感器在工作或者放置一段时间后其灵敏度和选择性没有大幅度的降低，仍旧在可靠范围内。传感器能否投入实际应用，稳定性是决定性的因素。如果稳定性不好，即使传感器的灵敏度和选择性很好，也是无法进行实际推广应用的。通常情况，气体传感器的灵敏度会受到湿度和时间的影响，湿度越大或者工作或者放置的时间越长，稳定性越差；也就是，湿度越大或者工作或者放置的时间越长，气体传感器的灵敏度和选择性越低。稳定性差的气体传感器在实际应用中不仅检测结果可靠性低而且会极大的提高制备成本。适当的工作温度是气体传感器进行有效工作的必要条件，常规气敏传感器特别是金属氧化物作为功能性材料的气体传感器，往往需要较高的最佳工作温度(200℃以上，甚至要到400℃以上)才能达到最高的检测灵敏度，而长时间在高温下工作会导致传感器的灵敏度降低，选择性变差，稳定性变差甚至失效。因此，对于传感器领域而言，能在室温下工作的功能性材料具有非常重要的意义。因而，制备可用室温检测的气敏材料是当今传感器材料的研究重点，它对于传感器广泛用于工业环境和日常生活中的检测具有极大的推动作用。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种新型四氧化三钴/五氧化二钽的纳米异质结构空心球、其制备方法及其气体传感器。本专利技术采用的技术方案如下：一种四氧化三钴和五氧化二钽的纳米异质结构空心球，空心球的球壳由五氧化二钽纳米颗粒构成，四氧化三钴纳米颗粒附着在球壳表面，四氧化三钴和五氧化二钽在球壳表面形成异质结，所述钽原子与钴原子的摩尔比为1:1～5:1，纳米颗粒大小为2到10nm，空心球直径在80～500nm。如图1-4所示，五氧化二钽均匀分布形成空心球壁，四氧化三钴零散的分布在球壁上与五氧化二钽形成异质结，球壁厚度为5nm左右。所述的空心球为多孔结构，其表面的孔径为1nm～10nm。进一步地，所述钽原子与钴原子的摩尔比优选为3.5:1。进一步地，所述的空心球可用于在100℃以下选择性检测乙醇；优选的，所述的空心球用于在50℃以下选择性检测乙醇；更优选的，所述的空心球用于在室温下(25℃)选择性检测乙醇。进一步地，所述的空心球具有很好的稳定性，2个月共进行13次测试，前四次测试中，性能较第一次变化率在±3％左右；前八次测试中，性能较第一次变化率在±4％左右；前十三次测试中，性能较第一次变化率在±5％左右。本专利技术的第二个目的是提供一种气体传感器，包括衬底及上述空心球，所述的衬底为绝缘材料，所述的四氧化三钴和五氧化二钽纳米异质结构空心球涂覆于所述衬底上。进一步地，所述的衬底选自绝缘陶瓷、玻璃、含硅材料。本专利技术的第三个目的是提供一种制备四氧化三钴和五氧化二钽的纳米异质结构空心球的方法，包括如下步骤：(1)配置吸附溶液：将含钽的金属盐溶液溶于溶剂中，并配置成金属离子摩尔浓度为0.001～10M的吸附溶液，所述的金属盐为含钽的醋酸盐，氯化盐，硝酸盐，硫酸盐或酯盐，所述的溶剂为去离子水、乙醇、甲醇、乙二醇或甲酰胺；(2)吸附：将表面具有羧基和羟基的球状模板浸入步骤(1)的吸附溶液中，使其含量为1g/L～100g/L，超声使球状模板充分分散，搅拌吸附2～48h，所述的球状模板为碳球，PS球，或SiO2球；(3)配置吸附溶液：将含钴的金属盐溶液溶于溶剂中，并配置成金属离子摩尔浓度为0.001～10M的吸附溶液，所述的金属盐为含钴的醋酸盐，氯化盐，硝酸盐，硫酸盐或酯盐，所述的溶剂为去离子水、乙醇、甲醇、乙二醇或甲酰胺；(4)吸附：将步骤(2)后的球状模板浸入(3)的吸附溶液中，使其含量为1g/L～100g/L，超声使球状模板充分分散，搅拌吸附2～48h；(5)除模板：将步骤(4)中干燥后的碳球或PS球在300～800℃下空气中热处理3～48h去除碳球或者PS球模板，获得空心球壳体；或将步骤(4)中干燥后的SiO2球在300～800℃下空气中热处理3～48h后，再在20～100℃下浸入浓度为1～20M的NaOH溶液中保持0.5～24h去除本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种四氧化三钴/五氧化二钽的纳米异质结构空心球，其特征在于，空心球的球壳由五氧化二钽纳米颗粒构成，四氧化三钴纳米颗粒附着在球壳表面，四氧化三钴和五氧化二钽在球壳表面形成异质结，所述钽原子与钴原子的摩尔比为1:1～5:1，纳米颗粒大小为2到10nm，空心球直径在80～500nm。

【技术特征摘要】
1.一种四氧化三钴/五氧化二钽的纳米异质结构空心球，其特征在于，空心球的球壳由五氧化二钽纳米颗粒构成，四氧化三钴纳米颗粒附着在球壳表面，四氧化三钴和五氧化二钽在球壳表面形成异质结，所述钽原子与钴原子的摩尔比为1:1～5:1，纳米颗粒大小为2到10nm，空心球直径在80～500nm。2.根据权利要求1所述的四氧化三钴/五氧化二钽的纳米异质结构空心球，其特征在于，所述钽原子与钴原子的摩尔比为3.5:1。3.如权利要求1所述的四氧化三钴/五氧化二钽的纳米异质结构空心球的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)配置吸附溶液：将含钽的金属盐溶液溶于溶剂中，配置成钽金属离子摩尔浓度为0.001～10M的吸附溶液，所述的金属盐为含钽的醋酸盐，氯化盐，硝酸盐，硫酸盐或酯盐，所述的溶剂为去离子水、乙醇、甲醇、乙二醇或甲酰胺；(2)吸附：将表面具有羧基和羟基的球状模板浸入步骤(1)的吸附溶液中，使其含量为1g/L～100g/L，超声使球状模板充分分散，搅拌吸附2～48h，所述的球状模板为碳球，PS球，或SiO2球；(3)配置吸附溶液：将含钴的金属盐溶液溶于溶剂中，配置成金属离子摩尔浓度为0.001～10M的吸附溶液，所述的金属盐为含钴的醋酸盐，氯化盐...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱丽萍，张子悦，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33