一種三氧化鎢納米片及摻雜三氧化鎢納米片氣體傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種三氧化鎢納米片及摻雜三氧化鎢納米片氣體傳感器。三氧化鎢納米片的制備方法為：以鎢酸(WO3·xH2O)為原材料，將鎢酸和醇胺反應(yīng)得到醇胺插層鎢酸的層狀化合物，經(jīng)濃硝酸氧化除去醇胺和熱處理可得三氧化鎢納米片。本發(fā)明制備過程簡單易行、對設(shè)備要求低，并以微米或毫米尺寸的鎢酸為原材料，實現(xiàn)了大批量穩(wěn)定生產(chǎn)和顯著降低三氧化鎢納米片制備成本的目的。本發(fā)明還將微量貴金屬摻入三氧化鎢納米片，得到對硫化氫等氣體具有快速響應(yīng)能力的氣體傳感器。
【專利說明】一種三氧化鎢納米片及摻雜三氧化鎢納米片氣體傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種可批量制備三氧化鎢納米片的新方法和微量貴金屬摻雜三氧化鎢納米片為氣體敏感材料的新型氣體傳感器，屬于納米科學(xué)技術(shù)和新材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]納米材料因具有高比表面積、量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等獨特的物理化學(xué)性能，已成為了當今研究的熱點之一，并引起了各國科學(xué)家的極大地關(guān)注。本世紀初，西方發(fā)達國家相繼加強了對微納技術(shù)的研發(fā)投入，美國能源部、國防部、衛(wèi)生署等國家部門2012年在該領(lǐng)域的投入多達18億美元，我國也成立了多個納米研究中心，并在催化、氣體傳感等領(lǐng)域取得了一些顯著地成果。納米材料的制備方法可概括為濕化學(xué)法、化學(xué)氣相沉積法、氣相輸運法等。其中，濕化學(xué)法成本低且易于大量合成，是目前常用的重要途徑之一。據(jù)報道，以H2W2O7S前驅(qū)體，采用濕化學(xué)法可制備出氧化鎢納米片，但H2W2O7成本高、合成難，嚴重阻礙了三氧化鎢納米片的制備。本發(fā)明以廉價易得的鎢酸為原材料，可滿足批量合成三氧化鎢納米片的要求，同時微量貴金屬摻雜的三氧化鎢納米片對硫化氫等氣體具有快速響應(yīng)能力，是良好的氣體敏感材料。
[0003]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供了一種可批量制備二維三氧化鎢納米片的新方法和微量貴金屬摻雜三氧化鎢納米片為氣體敏感材料的新型氣體傳感器。
[0005]一種可批量制備得三氧化鎢納米片，其特征在于:以鎢酸WO3 ? XH2O為原材料制備三氧化鎢納米片，所述WO3 ^xH2O中的X=I或2，將鎢酸和醇胺的乙醇混合液反應(yīng)，得到醇胺插層鎢酸的層狀化合物，所述鎢酸、醇胺、乙醇的摩爾比為1: (10-40): (20-80)，經(jīng)摩爾濃度為1-10 M的硝酸氧化除去醇胺得到鎢酸納米片，所得納米片以1-5 ° C/min加熱速率升溫至250-600 ° C，恒溫1-5 h后，冷卻至室溫，可得三氧化鎢納米片。
[0006]本發(fā)明制備Au摻雜三氧化鎢納米片氣體敏感材料的技術(shù)方案是:將120 mg三氧化鎢納米片置于I mL 20 mM的HAuCl4 ? 3H20水溶液中，加入2 mg的聚乙烯吡咯烷酮(Polyvinylpyrrolidone,平均分子量40000),均勻分散后,將溶液滴加到帶有加熱器的氣體傳感器襯底，80° C熱處理10 min，隨后將溫度升至400-500 ° C，恒溫0.5_2 h，取出冷卻至室溫，即為氣體傳感器。
[0007]所述三氧化鎢納米片為單斜相(JCPDS#43_1035)。
[0008]所述三氧化鎢納米片面積為(80-800) nm X (80-800) nm，厚度為5-50 nm。
[0009]所述醇胺為異丙醇胺。
[0010]所述金還可由鉬或鈀代替。
[0011]所述摻雜物為金，金與三氧化鎢的重量比為1 %_10 %。
[0012]所述摻雜物為鉬,鉬與三氧化鶴的重量比為I1 %_10 %。[0013]所述摻雜物為鈀，鈀與三氧化鎢的重量比為I %_10 %。
[0014]所述氣體敏感材料用于探測硫化氫氣體、探測氫氣或探測甲烷。
[0015]本發(fā)明制備過程簡單易行、對設(shè)備要求低，并以微米或毫米尺寸的鎢酸為原材料，實現(xiàn)了大批量穩(wěn)定生產(chǎn)和顯著降低三氧化鎢納米片制備成本的目的。本發(fā)明還將微量貴金屬摻入三氧化鎢納米片，得到對硫化氫等氣體具有快速響應(yīng)能力的氣體傳感器。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1 =WO3 ? H2O結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2:鎢酸/有機層狀結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3 =WO3納米片的掃描電鏡照片； 圖4:顯示“休眠”現(xiàn)象的50 ppm氣體響應(yīng)曲線，虛線為第一次氣體響應(yīng)曲線，實線為第二次氣體響應(yīng)曲線；
圖5:無“休眠”現(xiàn)象的50 ppm氣體響應(yīng)曲線，虛線為第一次氣體響應(yīng)曲線，實線為第二次氣體響應(yīng)曲線。
【具體實施方式】
[0017]實例I:
將20 mL異丙醇胺和40 mL乙醇充分混合后，加入4 g鎢酸(H2WO4或WO3 ? H2O),圖1為鎢酸的層狀結(jié)構(gòu)示意圖。在室溫下，磁力攪拌120 h后，鎢酸顏色由淺黃色逐漸變成奶白色，經(jīng)離心分離，可得白色固體。所得樣品用乙醇清洗兩次后，室溫低壓干燥所得白色粉末為鎢酸/有機插層化合物，圖2為該化合物的結(jié)構(gòu)示意圖。將白色粉末加入至50 mL 5M的硝酸溶液中，磁力攪拌12h，經(jīng)離心分離乙醇清洗后，得到淺黃色鎢酸(WO3 ? 2H20)納米片，隨后將該納米片置入氧化鋁坩堝中，以5° C/min速率加熱到500° C，在空氣中恒溫2h，冷卻到室溫，可得三氧化鎢納米片。三氧化鎢納米片的掃描電鏡照片如圖3所示。
[0018]實例2:
將120 mg三氧化鎢納米片分散于I mL 20mM的HAuCl4 ? 3H20水溶液中，將溶液滴加到帶有加熱器的氣體傳感器襯底，80 ° C熱處理10 min，隨后將溫度升至400-500 ° C，恒溫0.5-2 h，取出冷卻到室溫，即為氣體傳感器。
[0019]實例3:
將120 mg三氧化鎢納米片置于I mL 20 mM的HAuCl4 *3H20水溶液中，加入2 mg的聚乙烯批咯燒酮(Polyvinylpyrrolidone,平均分子量40000),均勻分散后,將溶液滴加到帶有加熱器的氣體傳感器襯底，80 ° C熱處理10 min，隨后將溫度升至300-500 ° C，恒溫
0.5-2 h，取出冷卻到室溫，即為氣體傳感器。在對50 ppm硫化氫氣體的傳感測試中發(fā)現(xiàn):傳統(tǒng)的固體氣體傳感器表現(xiàn)出“休眠”現(xiàn)象，即當傳感器暴露于干凈環(huán)境中，經(jīng)一段時間(幾個小時到幾個月不等)后，第一次對氣體的Tw (達到氣體90%濃度所需的時間)明顯長于第二次，相差約20 S，如圖4所示，采用金摻雜三氧化鎢納米片氣體傳感器則表現(xiàn)出穩(wěn)定的響應(yīng)速度，兩次T9tl均為25 S，未表現(xiàn)出“休眠”現(xiàn)象，如圖5所示。
【權(quán)利要求】
1.一種可批量制備的三氧化鎢納米片，其特征在于:以鎢酸WO3^H2O為原材料制備三氧化鎢納米片，所述WO3 ^H2O中的X=I或2，將鎢酸和醇胺的乙醇混合液反應(yīng)，得到醇胺插層鎢酸的層狀化合物，所述鎢酸、醇胺、乙醇的摩爾比為1: (10-40): (20-80)，經(jīng)摩爾濃度為1-10 M的硝酸氧化除去醇胺得到鎢酸納米片，所得納米片以1-5 ° C/min加熱速率升溫至250-600 ° C，恒溫1-5 h后，冷卻至室溫，可得三氧化鎢納米片。
2.—種權(quán)利要求1所述的微量貴金屬摻雜三氧化鎢納米片為氣體敏感材料的新型氣體傳感器，其特征在于:本發(fā)明制備Au摻雜三氧化鎢納米片氣體敏感材料的技術(shù)方案是:將120 mg三氧化鎢納米片置于I mL 20 mM的HAuCl4 *3H20水溶液中，加入2 mg的聚乙烯批咯燒酮(Polyvinylpyrrolidone,平均分子量40000),均勻分散后,將溶液滴加到帶有加熱器的氣體傳感器襯底，80° C熱處理10 min，隨后將溫度升至400-500 ° C，恒溫0.5-2h，取出冷卻至室溫，即為氣體傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摻雜三氧化鎢納米片氣體傳感器，其特征在于:所述三氧化鎢納米片為單斜相(JCPDS#43-1035)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摻雜三氧化鎢納米片氣體傳感器，其特征在于:所述三氧化鎢納米片面積為(80-800) nm X (80-800) nm，厚度為5-50 nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摻雜三氧化鎢納米片氣體傳感器，其特征在于:所述醇胺為異丙醇胺。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的摻雜三氧化鎢納米片氣體傳感器，其特征在于:所述金還可由鉬或鈀代替。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的摻雜三氧化鎢納米片氣體傳感器，其特征在于:所述摻雜物為金，金與三氧化鎢的重量比為I %_10 %。
8.根據(jù)權(quán)利要求2、6所述的摻雜三氧化鎢納米片氣體傳感器，其特征在于:所述摻雜物為鉬，鉬與三氧化鎢的重量比為I %_10 %。
9.根據(jù)權(quán)利要求2、6所述的摻雜三氧化鎢納米片氣體傳感器，其特征在于:所述摻雜物為鈀，鈀與三氧化鎢的重量比為I %_10 %。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摻雜三氧化鎢納米片氣體傳感器，其特征在于:所述氣體敏感材料用于探測硫化氫氣體、探測氫氣或探測甲烷。
【文檔編號】B82Y30/00GK103626233SQ201310626670
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月2日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月2日
【發(fā)明者】顧剛, 曾凡焱, 劉曉山 申請人:江西師范大學(xué)