一种铁掺杂多孔氧化铟气敏材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及NO

An iron doped porous indium oxide gas sensing material and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种铁掺杂多孔氧化铟气敏材料及其制备方法与应用
本专利技术涉及NO2气敏材料
，尤其涉及一种铁掺杂多孔氧化铟气敏材料及其制备方法与应用。
技术介绍
本专利技术
技术介绍
中公开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。二氧化氮(NO2)气体是一种棕红色的、有刺激性气体的有毒气体，是大气中的主要污染物之一。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。据美国政府工业卫生协会(ACGIH)和职业安全与健康管理局(US)的数据显示，人们允许暴露在NO2气体中的阈限值为3ppm，其中在1ppm的NO2气体中暴露的时间不超过15min。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。多孔氧化铟材料由于具有可调的孔道结构、高的比表面积和较强的离子交换性能，有利于反应物在活性位点进行反应，在气体的检测领域显示了极大的应用前景，因此多孔氧化铟材料被广泛应用于气敏传感领域。然而，大量研究表明：单一的In2O3气敏材料的气敏性能受控于材料的形貌、结构、晶型、比表面积、能带结构等因素，在气体检测时表现出灵敏度低、选择性差等缺点。同时，本专利技术人发现：现有的一些多孔In2O3气敏材料的工作所需的温度过高，如中国计量大学邓妮等提出的金属元素掺杂氧化铟气敏材料其工作温度高达300℃以上(见文献1)；太原理工大学张萌等提出贵金属修饰氧化铟微结构气敏材料在200℃左右对测试气体具有好的灵敏度和响应恢复速度(见文献2)；上海工业第二大学陈杨等提出的纳米氧化铟及复合材料能有效提高低温下的气敏性能，但是其在对NO2气体检测时，工作温度仍是在150℃以上(见文献3)。这些高达几百摄氏度的气敏传感器工作温度对仪器设备的功率要求极高，从而限制了氧化铟在气体传感器领域的实际应用。现有文献：文献1：邓妮，金属元素掺杂介孔氧化铟的制备及其气敏性能的研究[D]，中国计量大学，2016年。文献2：张萌，氧化铟微结构的制备、改性及其敏特性研究[D]，太原理工大学，2017年。文献3：陈扬，纳米In2O3及其复合物的制备及气敏性能研究[D]，上海第二工业大学，2018年。
技术实现思路
针对氧化铟对低浓度二氧化氮气体检测的灵敏度低、选择性差以及工作温度过高等方面的不足，本专利技术旨在提供一种铁掺杂多孔氧化铟气敏材料及制备方法与应用，该方法采用铁掺杂多孔氧化铟气敏材料制备的气敏元件对包括低浓度在内的NO2气体在低温下具有高的灵敏度、优异的选择性等优点，同时具有快的响应恢复速度。本专利技术第一目的：提供一种铁掺杂多孔氧化铟气敏材料。本专利技术第二目的：提供一种铁掺杂多孔氧化铟气敏材料的制备方法。本专利技术第三目的：提供所述铁掺杂多孔氧化铟气敏材料的应用。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术手段为：首先，本专利技术公开一种铁掺杂多孔氧化铟气敏材料，由基体相和掺杂相组成，所述基体相为多孔氧化铟，其为单分散的多孔纳米棒，所述多孔纳米棒由具有孔道结构的颗粒组成；所述掺杂相为铁离子，掺杂相以铁离子的形式掺杂于基体相晶格内部。本专利技术铁掺杂多孔氧化铟气敏材料的特点之一为：由于所述气敏材料为单分散的多孔纳米棒，其具有极高的比表面积；而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In2O3材料对NO2气体的灵敏度和响应恢复速度。本专利技术铁掺杂多孔氧化铟气敏材料的特点之二为：在铁掺杂的多孔氧化铟气敏材料中，金属铁(Fe)的掺杂一方面可以提高多孔氧化铟材料表面的氧空位浓度，改善材料在低温下的电学性能，增加NO2气体在低温下材料表面的吸附数量和参与气敏反应的分子数量；另一方面利用掺杂元素作为表面催化剂和吸附剂，提高材料在低温下的表面活性，增加了In2O3材料低温下对NO2气体的灵敏度，从而实现了In2O3材料在低温下对NO2气体的检测。其次，本专利技术公开一种铁掺杂多孔氧化铟气敏材料的制备方法，包括如下步骤：(1)将基体原料、掺杂相原料和有机配体溶于有机溶剂中，经溶剂热制备成铟铁的配位聚合物；所述基体原料为铟盐，所述掺杂相原料为铁盐；(2)将所述铟铁的配位聚合物进行煅烧，即得。最后，本专利技术公开所述铁掺杂多孔氧化铟气敏材料在气体检测中的应用。与现有技术相比，本专利技术取得了以下有益效果：(1)本专利技术的铁掺杂多孔氧化铟气敏材料有效提高了纯氧化铟作为气敏材料对低浓度NO2灵敏度低、选择性差和响应恢复时间长的问题。经过测试，采用本专利技术气敏材料制备的气敏元件针对NO2气体有优异的选择性，对低浓度NO2气体具有高的灵敏度，而且工作温度降至80℃以下，显著降低了对仪器设备的功率要求。(2)本专利技术的铁掺杂多孔氧化铟气敏材料为尺寸均匀、单一分散的纳米棒，分散性好，能够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。(3)本专利技术制备方法为一步合成气敏材料，这是因为在溶剂热条件下基体相和掺杂相同时生成，由于基体原料比例高于掺杂相原料，结晶时基体相成为主体，因此一步法不仅直接合成了气敏材料，而且操作简捷省时，效果更好。(4)本专利技术提供了一种安全有效的方法制备的针对NO2气体的铁掺杂多孔氧化铟气敏元件，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。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是本专利技术实施例1制备的铁掺杂多孔氧化铟气敏材料的扫描电子显微镜(SEM)照片。图2是本专利技术实施例1制备的铁掺杂多孔氧化铟气敏材料的透射电子显微镜(TEM)照片。图3是本专利技术实施例1制备的铁掺杂多孔氧化铟气敏材料的BET比表面积谱图。图4是本专利技术实施例1制备的铁掺杂多孔氧化铟气敏材料的能量色散谱图。图5是本专利技术实施例1制备的铁掺杂多孔氧化铟气敏材料和对比例制备的未掺杂铁的多孔氧化铟的XRD图谱。图6是本专利技术是实施例1制备的铁掺杂多孔氧化铟气敏材料的X射线光电子衍射的O1s峰能谱图。图7是本专利技术对比例所制备的未掺杂铁的多孔氧化铟的X射线光电子衍射的O1s峰能谱图。图8是本专利技术实施例中旁热式传感器的示意图。图中，1代表氧化铝陶瓷基片；2代表测试的金电极；3，4代表测试的铂电极；5代表加热电极；6，7代表Ni-Cr电极；8代表气敏材料层。图9是本专利技术实施例1、2制备的铁掺杂的多孔氧化铟纳米棒和对比例所制备的未掺杂铁的多孔氧化铟在80℃下对2ppmNO2气体的响应值。图10是本专利技术实施例1制备的铁掺杂多孔氧化铟气敏本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铁掺杂多孔氧化铟气敏材料，其特征在于，由基体相和掺杂相组成，所述基体相为多孔氧化铟，其为单分散的多孔纳米棒，所述多孔纳米棒由具有孔道结构的颗粒组成；所述掺杂相为铁离子，掺杂相以铁离子的形式掺杂于基体相晶格内部。/n

【技术特征摘要】
1.一种铁掺杂多孔氧化铟气敏材料，其特征在于，由基体相和掺杂相组成，所述基体相为多孔氧化铟，其为单分散的多孔纳米棒，所述多孔纳米棒由具有孔道结构的颗粒组成；所述掺杂相为铁离子，掺杂相以铁离子的形式掺杂于基体相晶格内部。


2.如权利要求1所述的铁掺杂多孔氧化铟气敏材料，其特征在于，所述铁离子的掺杂量为0.5-20mol％；优选的为3-10mol％。


3.如权利要求1所述的铁掺杂多孔氧化铟气敏材料，其特征在于，所述多孔纳米棒的直径为0.5-3μm，长度为1-9μm。


4.一种铁掺杂多孔氧化铟气敏材料的制备方法，其特征在于，步骤为：
(1)将基体原料、掺杂相原料和有机配体溶于有机溶剂中，经溶剂热制备成铟铁的配位聚合物；所述基体原料为铟盐，所述掺杂相原料为铁盐；
(2)将所述铟铁的配位聚合物进行煅烧，即得。


5.如权利要求4所述的铁掺杂多孔氧化铟气敏材料的制备方法，其特征在于，所述掺杂相原料与基体相原料的摩尔比为0.5-20mol％；优选为3-20mol％，更优选为5-10mol％；
或者，所述有机配体是基体原料摩尔量的0.5-2倍。


6.如权利要求4所述的铁掺杂多孔氧化铟气敏材料的制备方法，其特征在于，所述铟盐包括氯化铟、硝酸铟、硫酸铟...

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