一种氮掺杂的金属氧化物气敏材料、气敏元件及其制备方法与应用技术

本发明专利技术提供一种氮掺杂的金属氧化物气敏材料、气敏元件及其制备方法与应用，属于气敏材料技术领域。所述氮掺杂的金属氧化物气敏材料是由金属氧化物经表面掺氮处理后获得，所述的气敏材料为小颗粒组成的多孔纳米球，直径为300‑700nm,小颗粒的尺寸为10‑30nm。本发明专利技术的氮掺杂的金属氧化物气敏材料在氮源提供氮的气氛下在不同温度下进行表面掺氮处理，掺杂浓度可调，且制备方法方便简单，将其制备为气敏元件，研究表明该气敏元件在较低温度下对低浓度NO

A nitrogen doped metal oxide gas sensing material, gas sensing element and its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种氮掺杂的金属氧化物气敏材料、气敏元件及其制备方法与应用
本专利技术属于气敏材料
，具体涉及一种氮掺杂的金属氧化物气敏材料、气敏元件及其制备方法与应用。
技术介绍
公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。随着科学技术的日益发展，人民生活水平不断提高，工业废气和生活废气(如NO2、SO2、H2S、CO等)的排放量也日渐增多，人们所面临的环境污染问题(如雾霾、酸雨、温室效应等)也日益严重。因此，有效监控管理污染气体的排放成为目前必不可少的治理手段。由气体敏感材料引领的气体检测技术受到世界范围的高度重视。NO2气体作为工业废气和生活废气中的典型污染气体，具有较高的化学活性和较强的腐蚀性，并能与空气中的水分或碳氢化合物发生反应，是形成酸雨、光化学烟雾和雾霾等二次污染物的主要来源，严重威胁着人们的身体健康和所居住的生活环境。因此，设计出具有高灵敏度、选择性的气敏传感材料对检测低浓度NO2气体具有重要意义。SnO2作为常见的N型半导体材料，由于其独特的物理化学特性已经广泛地用于NO2气体的检测。其检测主要是依据NO2气体与SnO2材料表面发生电子交换而造成材料本身电阻发生改变的原理，通过检测测试过程中SnO2的电阻变化从而达到对NO2气体检测的目的。总的来说SnO2的气敏性能主要包括待测气体在材料表面的扩散、吸附以及发生电子交换。因此，SnO2的气敏性能主要由以下材料的三个方面因素决定：几何效应、电子效应以及化学效应。几何效应主要是指材料的几何结构，具有高比表面积的多孔结构能够为待测气体在材料表面的扩散和吸附提供更多的扩散通道和活性位置；电子效应是指由于半导体复合、金属离子掺杂以及激光或者光照等外界因素等导致材料本身的能带结构、电子结构以及电学性质发生变化，促使材料在检测过程中有效的电子转移和电阻变化；化学效应是指由于元素掺杂或者材料表面还原所造成的表面缺陷以及催化剂修饰降低了材料表面其发生气敏反应所需要的激活能，有效的促进了待测气体在材料表面的吸附和发生电子交换。然而，纯金属氧化物在低温检测低浓度气体时存在诸多不足，如灵敏度低、选择性差、工作温度高等，限制了其在低温气体检测领域中的应用。
技术实现思路
针对上述现有技术，本专利技术提供一种对低浓度NO2气体具有优异气敏性能的氮掺杂的金属氧化物气敏材料，气敏元件及制备方法与应用，金属氧化物气敏材料经温度可控的管式炉，在氮源提供氮的气氛下在不同温度下进行表面掺氮处理，掺杂浓度可调，且制备方法方便简单，使金属氧化物在较低温度下对低浓度NO2气体响应值高、选择性好，因此具有良好的实际应用之价值。为实现上述技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：本专利技术的第一个方面，提供一种氮掺杂的金属氧化物气敏材料，所述氮掺杂的金属氧化物气敏材料为小颗粒组成的单分散多孔纳米球，其直径为200-700nm，所述小颗粒尺寸为10-30nm。进一步的，所述金属氧化物为氧化锡。本专利技术的第二个方面，提供上述氮掺杂的金属氧化物气敏材料的制备方法，所述方法包括将金属氧化物材料在氮源提供氮的气氛下进行煅烧处理，即得氮掺杂的金属氧化物气敏材料。本专利技术通过研究发现：采用氮掺杂的处理方法可以有效地提高材料在较低温度下对NO2气体的灵敏度和选择性。本专利技术的第三个方面，提供上述氮掺杂的金属氧化物气敏材料在制备氮掺杂金属氧化物气敏元件中的应用。本专利技术的第四个方面，提供一种氮掺杂金属氧化物气敏元件，所述氮掺杂金属氧化物气敏元件，其制备方法包括：将上述金属氧化物材料制成气敏层浆料，使气敏层浆料附着于载体上，制成金属氧化物气敏元件，将所述金属氧化物气敏元件在氮源提供氮的气氛下进行煅烧，即得氮掺杂的金属氧化物气敏元件。本专利技术的第五个方面，提供上述氮掺杂的金属氧化物气敏材料和/或氮掺杂金属氧化物气敏元件在气体检测中的应用。所述应用具体为在低温环境下检测低浓度NO2气体中的应用。所述低温温度为不高于120℃，进一步为50-120℃，更进一步为50-80℃；所述NO2气体浓度为0.5-50ppm。本专利技术的有益效果在于：(1)本专利技术提供了一种在低温下对低浓度NO2气体具有优异气敏性能的氮掺杂的金属氧化物气敏材料。合成的材料为小颗粒组成的多孔纳米球，具有极高的比表面积。高的比表面积为气体在材料表面的吸附提供更多的活性位置，而多孔结构为气体在材料表面的扩散提供丰富的通道，这些有利于提高材料的灵敏度和响应恢复速度。氮掺杂使氧化物表面产生缺陷，表面的缺陷位置对二氧化氮气体具有较低的吸附能，利于更多的二氧化氮气体分子在气敏材料表面吸附；其次，氮掺杂对金属氧化物的电子结构进行修订，改善材料的电学性能，提高表面自由电子的数量，优化金属氧化物的电子迁移效率，对改善金属氧化物气敏材料低温下的气敏性能有着重要的作用。(2)本专利技术氮掺杂的金属氧化物半导体气敏材料有效解决了目前纯氧化物半导体气敏材料存在的一系列的问题，如灵敏度低、选择性差、工作温度高等问题，并扩大了其应用范围。本专利技术的气敏元件针对低浓度的NO2气体有高的灵敏度和选择性，能在50℃-120℃较低的温度下工作且具有较高的响应值即灵敏度。(3)本专利技术氮掺杂的金属氧化物半导体气敏材料分散性好，避免气敏元件的制备过程中因团聚而造成涂抹不均匀的问题。(4)本专利技术中提供了一种安全便捷的方式来获得氮掺杂的金属氧化物半导体气敏材料，在管式炉中，在氮源提供氮的气氛下进行掺氮处理，温度可控，掺杂浓度可调，无需进行后续处理。(5)本专利技术提供了一种安全有效的方法制备的氮掺杂的金属氧化物半导体气敏元件，将制备出的纯金属氧化物气敏元件置于管式炉内，在氮源提供氮的气氛下进行掺氮处理，获得氮掺杂的金属氧化物半导体气敏元件，该方法避免了的气敏元件制备过程中由于空气煅烧所引起氮掺杂金属氧化物结构的改变，保证了其优异的气敏性能。(6)本专利技术的制备方法安全有效，以及所需设备简单，易操作，工艺参数便于控制，原料及仪器设备使用成本低等，具有良好的实际应用之价值。附图说明构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。图1是对比例1所制备的纯氧化锡多孔纳米球的扫描电子显微镜照片；图2是实施例1所制备的氮掺杂的氧化锡多孔纳米球的扫描电子显微镜照片；图3是实施例1所制备的氮掺杂的氧化锡多孔纳米球的透射电子显微镜照片(高倍)；图4是对比例1所制备的纯氧化锡以及实施例1所制备氮掺杂的氧化锡多孔纳米球的的X射线光电子衍射能谱全谱图；图5是实施例1所制备氮掺杂的氧化锡多孔纳米球X射线光电子衍射的O1s峰能谱图；图6是对比例1所制备的纯氧化锡和实施例1及实施例2所制备的氮掺杂的氧化锡多孔纳米球的自由电子密度和电子迁移率；图7是对比例1所制备的纯氧化锡和实施例1及实施例2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮掺杂的金属氧化物气敏材料，其特征在于，所述氮掺杂的金属氧化物气敏材料为小颗粒组成的单分散多孔纳米球，所述单分散多孔纳米球的比表面积为10m

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂的金属氧化物气敏材料，其特征在于，所述氮掺杂的金属氧化物气敏材料为小颗粒组成的单分散多孔纳米球，所述单分散多孔纳米球的比表面积为10m2g-1-50m2g-1；单分散多孔纳米球平均球直径为400-700nm，小颗粒尺寸为20-30nm。


2.如权利要求1所述的氮掺杂的金属氧化物气敏材料，其特征在于，所述金属氧化物为氧化锡。


3.权利要求1或2所述的氮掺杂的金属氧化物气敏材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括将金属氧化物材料在氮源提供氮的气氛下进行煅烧处理，即得氮掺杂的金属氧化物气敏材料；
优选的，所述金属氧化物材料为金属氧化物多孔纳米球。


4.如权利要求3所述的氮掺杂的金属氧化物气敏材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
(1)将金属盐原料和表面活性剂溶解于有机溶剂中；将获得的澄清液在高温高压条件下发生化合反应，获得金属氧化物前驱体；
(2)将步骤(1)得到的产物离心，用甲醇清洗、干燥后煅烧，得金属氧化物多孔纳米球；
(3)将金属氧化物多孔纳米球在氮源提供氮的气氛下进行煅烧，对金属氧化物表面进行掺氮处理即得。


5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，
金属盐原料为SnCl4.5H2O；所述表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮；
优选的，所述表面活性剂的用量是金属盐原料质量的1-2倍；
优选的，高温高压条件具体为在180℃下保温2-6h(优选为3h)；
优选的，有机溶剂为甲醇。


6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，
煅烧温度控制为400-600℃，煅烧时间为1-3h(优选为2h)。


7....

【专利技术属性】
技术研发人员：刘久荣，杜文静，吴莉莉，刘伟，王凤龙，汪宙，王琦，陈国文，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37