一种基于非水解溶胶-凝胶WO3多孔薄膜的NO2气敏元件及其制备方法技术

本发明专利技术属于半导体金属氧化物气敏元件技术领域，具体涉及一种基于非水解溶胶‑凝胶WO3多孔薄膜的NO2气敏元件及其制备方法。所述气敏元件主要由电极元件和均匀涂覆在电极元件上的WO3多孔薄膜气敏层组成，所述WO3多孔薄膜由WO3纳米凝胶颗粒旋涂而成，所述WO3纳米凝胶颗粒直径为20～60nm，所述WO3为单斜晶体结构。本发明专利技术方法操作简单、反应易于控制、合成周期短，有效解决了传统制备方法成本高、合成周期长等缺点。通过该方法制备的气体气敏元件在工作温度100℃时获得对NO2气体的最大灵敏度，响应和恢复时间短、选择性高，是具有良好发展前景的NO2气敏元件。

A NO2 gas sensor based on non hydrolytic sol-gel WO3 porous membrane and its preparation method

The invention belongs to the technical field of semiconductor metal oxide gas sensor, and specifically relates to a NO2 gas sensor based on a non hydrolytic sol gel WO3 porous film and a preparation method thereof. The gas sensing element is mainly composed of an electrode element and a WO3 porous film gas sensitive layer uniformly coated on the electrode element. The WO3 porous film is spin coated by WO3 nano gel particles, and the diameter of the WO3 nano gel particle is 20 to 60NM, and the WO3 is monoclinic crystal structure. The method has the advantages of simple operation, easy control of reaction and short synthesis period, and effectively solves the shortcomings of the traditional preparation method such as high cost and long synthesis period. The gas sensor fabricated by this method has the highest sensitivity to NO2 gas at 100 C, short response and recovery time, and high selectivity. It is a promising NO2 gas sensor with good development prospects.

【技术实现步骤摘要】
一种基于非水解溶胶-凝胶WO3多孔薄膜的NO2气敏元件及其制备方法
本专利技术属于半导体金属氧化物气敏元件
，具体涉及一种基于非水解溶胶-凝胶WO3多孔薄膜的NO2气敏元件及其制备方法。
技术介绍
矿产资源是人类文明进步和社会经济发展的物质基础。随着科学技术的快速发展以及各类工业化生产的扩张，人类对矿产资源的开采利用达到了前所未有的程度。矿山生产在爆破过程中将产生大量的CO、粉尘以及氮氧化物。其中，NO2是一种具有刺激性气味和腐蚀性特点的红棕色气体，如果以较高的浓度富集于巷道空气中，容易引发中毒事件，对工人的生命安全造成极大的威胁。因此，开发高性能的气敏元件以实现对NO2的有效和实时监测势在必行，不仅可以有效地避免潜在安全事故的发生，同时还为后续的有害气体处理提供了可靠的前期监测保障。气敏元件是一种将气体的种类、浓度和成分等特征转化成对应电信号的转换器，通常可分化学气敏元件和物理气敏元件两类。其中，根据工作原理及气敏机制的不同，化学气敏元件可分为：半导体式气敏元件、固体电解质式气敏元件、电化学式气敏元件、接触燃烧式气敏元件、光学式气敏元件、热导式气敏元件等。半导体式气敏元件由于具有响应速度快、灵敏度高、体积小等一系列显著优点，而成为目前应用最为广泛的气敏元件之一。WO3作为一种n型半导体过渡金属氧化物，是一种优良的多功能半导体气敏材料，而基于WO3多孔薄膜的气敏元件对NO2气体具有良好的气敏特性。在WO3薄膜的制备过程中，不同的制备方法和制备条件对其光学性能和气敏特性会产生很大的影响。目前制备WO3多孔薄膜的方法主要有溶胶-凝胶法、溅射镀膜法、化学气相沉积法以及电沉积法等，制备方法较为局限，普遍存在孔隙率低、制备成本高、合成周期长等缺点。非水解溶胶-凝胶法是一种新型的溶胶-凝胶工艺，其无需经过金属醇盐水解过程，在根本上解决了醇盐水解难以控制的问题，大大简化了薄膜制备工艺，已被广泛应用于多种氧化物材料的制备，也避免了六氯化钨易同氧或水分发生剧烈反应，而导致危险。
技术实现思路
针对目前WO3多孔薄膜在制备质量、成本及效率等方面存在的问题，本专利技术提供一种基于非水解溶胶-凝胶WO3多孔薄膜的NO2气敏元件及其制备方法，目的是通过非水解溶胶-凝胶法制备出形貌均一、孔隙率高、比表面积大的多孔薄膜，以克服WO3多孔薄膜制备方法比较局限、孔隙率低、制备成本高等不足，并制备成性能优异的NO2气敏元件。一种基于非水解溶胶-凝胶WO3多孔薄膜的NO2气敏元件，所述气敏元件主要由电极元件和均匀涂覆在电极元件上的WO3多孔薄膜气敏层组成，所述WO3多孔薄膜由WO3纳米凝胶颗粒旋涂而成，所述WO3纳米凝胶颗粒直径为20～60nm，所述WO3为单斜晶体结构。优选地，所述WO3纳米凝胶颗粒按照下述方法制得：①将六氯化钨溶液、无水乙醇溶液和二甲基甲酰胺溶液以体积比为4～8:1:1～2的比例混合，其中六氯化钨溶液浓度为0.05g/mL，六氯化钨、无水乙醇和二甲基甲酰胺摩尔比为1～10:5～10:16，振荡后形成溶胶前驱物；②将浓度为0.015～0.03g/mL的聚乙二醇-1000溶液与步骤①所得溶胶前驱物以1:1～2的体积比混合，得混合溶液，超声振荡使混合溶液充分溶解，于60～80℃的鼓风干燥箱中干燥3～5h得WO3纳米凝胶颗粒。本专利技术所述聚乙二醇-1000是聚乙二醇系列产品的一种，以下简写成PEG-1000。优选地，所述电极元件为陶瓷电极。本专利技术所述陶瓷电极为将金电极预先覆在Al2O3陶瓷管表面构成的陶瓷电极。所述电极元件优选的形状为管状。本专利技术的另一目的是提供一种基于非水解溶胶-凝胶WO3多孔薄膜的NO2气敏元件的制备方法，按照如下工艺步骤进行：①将六氯化钨溶液、无水乙醇溶液和二甲基甲酰胺溶液以体积比为4～8:1:1～2的比例混合，其中六氯化钨溶液浓度为0.05g/mL，六氯化钨、无水乙醇和二甲基甲酰胺摩尔比为1～10:5～10:16，振荡后形成溶胶前驱物；将浓度为0.015～0.03g/mL的聚乙二醇-1000溶液与所得溶胶前驱物以1:1～2的体积比混合，得混合溶液，超声振荡使混合溶液充分溶解，于60～80℃的鼓风干燥箱中干燥3～5h得WO3纳米凝胶颗粒，所述WO3纳米凝胶颗粒直径为20～60nm，所述WO3为单斜晶体结构；②将步骤①所得纳米凝胶颗粒，经过旋涂后经热风吹干，在真空管式炉中于500℃条件下热处理5～8h，得WO3多孔薄膜；③将步骤②所得WO3多孔薄膜经湿法研磨，得粘稠浆液，均匀涂覆在电极元件上，经干燥后，在250～350℃条件下老化8～12h，得气敏元件。优选地，所述旋涂步骤具体操作为通过真空旋转涂膜机将所述纳米凝胶颗粒涂于经表面洁净化处理的圆形玻璃基板上。优选地，所述干燥步骤具体操作为在空气中干燥30～60min。优选地，所述湿法研磨具体操作为将所述WO3多孔薄膜置于玛瑙研钵中，滴入5～10滴无水乙醇，匀速研磨7～8min。优选地，所述涂覆具体操作为使用洁净毛刷尖端沾取粘稠浆液涂在陶瓷电极上，使电极元件表面完全被覆盖且所述气敏层厚度均匀。上述技术方案中，所选技术为非水解溶胶-凝胶法制备WO3纳米凝胶颗粒，所述WO3多孔薄膜为NO2气敏材料。上述技术方案中，所述WO3多孔薄膜具有形貌均一、孔隙率高、比表面积大的结构特性。上述技术方案中，所述电极元件优选的材质为Al2O3陶瓷材料。上述技术方案中，所述气敏元件优选是通过在电极元件上均匀涂覆WO3多孔薄膜制得。与现有技术相比，本专利技术的特点和有益效果是：本专利技术提供了一种基于非水解溶胶-凝胶WO3多孔薄膜的NO2气敏元件，该气敏元件具有高灵敏度、高选择性及低工作温度等优点。从制备方法上看，本专利技术拓展了WO3多孔薄膜的制备工艺，利用非水解溶胶-凝胶法制备出形貌均一、孔隙率高、比表面积大的多孔薄膜，然后将WO3多孔薄膜制备成气敏涂层，经过老化处理制备成气敏元件。本专利技术方法操作简单、反应易于控制、合成周期短，有效解决了传统制备方法成本高、合成周期长等缺点。通过该方法制备的气体气敏元件在工作温度100℃时获得对NO2气体的最大灵敏度，响应和恢复时间短、选择性高，是具有良好发展前景的NO2气敏元件。附图说明图1为本专利技术的基于非水解溶胶-凝胶WO3多孔薄膜的气敏元件主要结构示意图；其中：1：基座；2：Al2O3陶瓷管；3：加热电阻丝；4：金电极；5：铂金引线；6：WO3气敏涂层。图2为本专利技术实施例1制备的WO3多孔薄膜的X射线衍射图谱；图3为本专利技术实施例1制备的WO3多孔薄膜的(a)低倍率和(b)高倍率扫描电子显微镜照片；图4为本专利技术实施例1制备的WO3多孔薄膜晶粒的(a)透射电子显微镜照片和(b)高分辨率透射电子显微镜照片；图5为本专利技术实施例1的气敏元件在不同工作温度条件下对5ppmNO2的动态响应曲线图；图6为本专利技术实施例1的气敏元件对5ppm的NO2气体的灵敏度与工作温度之间的关系图；图7为本专利技术实施例1的气敏元件(a)在工作温度为100℃时对不同浓度NO2气体的动态响应曲线图和(b)在工作温度100℃时灵敏度与NO2气体浓度之间的关系图；图8为本专利技术实施例1的气敏元件在工作温度为100℃时对5ppmNO2气体的稳定性考察图；图9为本专利技术实施例1的气敏元件在工作温度为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于非水解溶胶‑凝胶WO3多孔薄膜的NO2气敏元件，其特征在于，所述气敏元件主要由电极元件和均匀涂覆在电极元件上的WO3多孔薄膜气敏层组成，所述WO3多孔薄膜由WO3纳米凝胶颗粒旋涂而成，所述WO3纳米凝胶颗粒直径为20～60nm，所述WO3为单斜晶体结构。

【技术特征摘要】
1.一种基于非水解溶胶-凝胶WO3多孔薄膜的NO2气敏元件，其特征在于，所述气敏元件主要由电极元件和均匀涂覆在电极元件上的WO3多孔薄膜气敏层组成，所述WO3多孔薄膜由WO3纳米凝胶颗粒旋涂而成，所述WO3纳米凝胶颗粒直径为20～60nm，所述WO3为单斜晶体结构。2.根据权利要求1所述的气敏元件，其特征在于，所述WO3纳米凝胶颗粒按照下述方法制得：①将六氯化钨溶液、无水乙醇溶液和二甲基甲酰胺溶液以体积比为4～8:1:1～2的比例混合，其中六氯化钨溶液浓度为0.05g/mL，六氯化钨、无水乙醇和二甲基甲酰胺摩尔比为1～10:5～10:16，振荡后形成溶胶前驱物；②将浓度为0.015～0.03g/mL的聚乙二醇-1000溶液与步骤①所得溶胶前驱物以1:1～2的体积比混合，得混合溶液，超声振荡使混合溶液充分溶解，于60～80℃的鼓风干燥箱中干燥3～5h得WO3纳米凝胶颗粒。3.根据权利要求1所述的气敏元件，其特征在于，所述电极元件为陶瓷电极。4.权利要求1所述的基于非水解溶胶-凝胶WO3多孔薄膜的NO2气敏元件的制备方法，其特征在于，按照如下工艺步骤进行：①将六氯化钨溶液、无水乙醇溶液和二甲基甲酰胺溶液以体积比为4～8:1:1～2的比例混合，其中六氯化钨溶液浓度为0.05g/mL，六氯化钨、无水乙醇...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈岩柏，周鹏飞，赵思凯，陈享享，钟祥熙，李国栋，殷尧禹，韩聪，魏德洲，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21