第28卷第6期 硅 酸 盐 通 报 V o l .28 N o .6 2009年12月 B U L L E T I N O F T H E C H I N E S E C E R A M I C S O C I E T Y D e c e m b e r ,2009 表面活性剂-水热法一步制备纳米I n 2O 3气敏材料娄向东,李 培,王晓兵,秦 楠,王学峰(河南师范大学化学与环境科学学院,新乡 453007)摘要:以聚乙二醇600(P E G -600)为表面活性剂,用水热法一步制备了I n 2O 3粉体,通过XR D 、S E M 、T E M 等手段对粉体的物相、形貌、粒度等进行表征,结果表明产物的形貌为棒状,平均长度约150n m ,直径约20n m ,分布均匀。
采用静态配气法测定材料的气敏性能,发现以I n 2O 3为基体的气敏元件在125℃的工作温度下对10p p m N O 2气体的灵敏度高达32.2,并且具有选择性好、响应-恢复时间短等特性。
关键词:I n 2O 3;表面活性剂;水热法;气敏性质中图分类号:T B 383 文献标识码:A 文章编号:1001-1625(2009)06-1327-05O n e S t e pS y n t h e s i s o f G a s S e n s o r Ma t e r i a l N a n o s i z e dI n 2O 3by S u r f a c t a n t -h y d r o t h e r m a l Me t h o d L O UX i a n g -d o n g ,L I P e i ,W A N GX i a o -b i n g ,Q I NN a n ,W A N GX u e -f e n g(C o l l e g e o f C h e m i s t r y a n dE n v i r o n m e n t a l S c i e n c e ,H e n a nN o r m a l U n i v e r s i t y ,X i n x i a n g 453007,C h i n a )A b s t r a c t :T h e p r e p a r a t i o n o f I n 2O 3na n o -p o w d e r u s e do n e -s t e ph y d r o t h e r m a l m e t h o dw i t h P E G -600a s s u r f a c t a n t .I t s s i z e ,p h a s e a n dm o r p h o l o g yw e r e a n a l y z e db y X R D ,S E M a n dT E M .T h e g a s s e n s i n gc h a r a c t e r i s t i c s o f t h e m a t e r i a l s w e r e t e s t ed i n s t a t i c s l a te .T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h e m o r p h o l o g y of I n 2O 3is n a n o r o d s w i t h g o o d d i s p e r s i t y .T h e a v e r a g e l e n g t h o f t h e a s -s y n t h e s i z e d n a n o r o d s r e a c h e s a b o u t 150n m ,a n d t h e w i d t h ab o u t 20n m ,g i v i n g a n a s p ec t r a t i o o f a f e wh u nd re d s .I t h a s a h i g h s e n s i t i v i t y a s h i g h a s 32.2t o 10p p m N O 2a t l o w e r w o r k i n gt e m p e r a t u r e 125℃.T h es e n s o r b a s e do nI n 2O 3al s oh a s s a t i s f a c t o r y s e l e c t i v i t y ,q u i c k l y r e s p o n s e a n d r e c o v e r t i m e s .K e y w o r d s :I n 2O 3;s u r f a c t a n t ;h y d r o t h e r m a l m e t h o d ;g a s s e n s i n g c h a r a c t e r i s t i c s 基金项目:河南省教育厅自然科学基金(2008B 43001;2008B 150012);河南师范大学青年科学基金(525185)作者简介:娄向东(1964-),男,教授.主要从事功能材料的制备及应用的研究.E -m a i l :c h e m e n g l x d @126.c o m1 引 言I n 2O 3是一种N型半导体,主要缺陷有氧空位和间隙铟离子,具有较宽的禁带宽度(3.6～3.75e V )。
可广泛用于光电领域,如太阳能电池、液晶设备、二极管[1]等。
因此I n 2O 3材料的制备和性能的研究逐渐引起人们的重视,并成为气敏材料的研究热点。
纳米I n 2O 3材料的制备方法通常有低压物理气相沉积法[2]、化学气相沉积(C V D )法[3]、直流磁电管溅射(D C )法[4]、射频溅射法[5]、电子束放射法[6]、沉淀法[7]、溶剂热法[8]、碳热还原法[9]、溶胶凝胶法[10]、脉冲激光沉积法[11]、模板法[12]、微乳液法[13]、固相合成法[14]等,但都存在颗粒的粒径分布较宽、分散性较差、设备1328 试验与技术硅酸盐通报 第28卷昂贵投资大、操作要求高等缺点。
而水热法则具有操作温度低,反应过程容易控制,制备的材料均一性好,产物纯度高,化学成分可以有选择的掺杂等特点,因而越来越受到人们的重视。
表面活性剂是指具有固定的亲水亲油基团,在溶液的表面能定向排列,并能使表面张力显著下降的物质。
主要具有增溶、乳化、润湿、助悬、起泡和消泡、消毒杀菌、去污等作用。
在材料领域中,表面活性剂通常用来制备纳米材料,尤其用来制备纳米棒[15]。
用表面活性剂-水热法一步制备纳米材料I n 2O 3的报道,国内外还鲜有报道。
实验中以PE G -600作为表面活性剂,采用水热法一步合成了I n 2O 3纳米材料,将此材料制成旁热式烧结型气敏元件测其性质,发现元件在125℃的低温下对有毒气体N O 2有较好的灵敏度和选择性,且响应-恢复时间较快。
2 实 验2.1 纳米I n 2O 3的制备及表征称取适量的I n (N O 3)2·4.5H 2O,用无水乙醇做溶剂,加入适量的P E G -600表面活性剂,磁力搅拌15m i n ,转入反应釜,置于烘箱中,在140℃下反应14h 。
自然冷却至室温,抽滤,所得的沉淀用去离子水洗涤,再用无水乙醇洗涤。
60℃下干燥,即得到纳米I n 2O 3粉体。
未煅烧的I n 2O 3粉体记为A,在500℃下煅烧2h 的I n 2O 3粉体记为B。
用X 射线粉末衍射法(德国布鲁克D 8X -射线衍射仪)检测材料的物相;用日本电子公司J E M -100S X 型扫描电子显微镜检测材料的形貌;用J E M -2010型高清晰透射电子显微镜检测材料的粒径和形貌。
2.2 元件制作及气敏性能测试按传统的方法将备好的I n 2O 3粉体制成旁热式烧结型气敏元件,制备方法如下:将制得的粉体与一定量的粘结剂混合均匀后,涂覆到带有电极和加热丝的陶瓷管表面。
试样风干、热处理后制得气敏元件。
为了改善元件的性能和稳定性,将元件进行老化处理,老化条件为300℃×240h 。
气敏性能的测试采用静态配气法,测试工作在W S -30A 气敏测试系统上完成,测试的气体有氧化型气体N O 2、C l 2,还原性气体H 2S、汽油、乙醇、丙酮、乙醚、氨水等。
元件的灵敏度分别用S =R a /R g (还原性气体)和S 0=R g /R a (氧化性气体)表示,其中R a 、R g 分别为元件在空气中和在被测气体中的电阻值。
3 结果和讨论3.1 样品的X R D 分析图1 I n 2O 3的X R D 图(A ,未经煅烧的样品;B ,500℃煅烧2h 的样品)F i g .1 X R Dp a t t e r no f I n 2O 3图1是P E G -600做表面活性剂水热法一步制备的I n 2O 3在500℃煅烧2h 和未经煅烧所得粉体的X R D 图。
由图1可知,制备的I n 2O 3粉体热处理所得XR D 图均与的标准图(J C P D SP D F 06-0415)相符,而且煅烧前后I n 2O 3粉体的XR D 图谱的峰型、强度皆未有明显差异,表明该方法制备I n 2O 3时不需经过热处理,即可得到结晶较完善的I n 2O 3粉体。
作为气敏材料应用时,可减少材料制备过程中煅烧的步骤,有利于提高材料的敏感性能。
3.2 样品的形貌分析用扫描电子显微镜(S E M)和透射电子显微镜(T E M )对制备的I n 2O 3纳米粉体进一步表征。
图2是I n 2O 3粉体的SE M 图片。
由图2a 中可以清晰地看到形成的I n 2O 3纳米棒,大量的I n 2O 3纳米棒聚集在一起,形成了花簇状,花簇中I n 2O 3纳米棒的长度约为100～200n m ,直径约为20n m 。
图2b 是500℃煅烧2h 的I n 2O 3粉体的S E M 。
从图中可以看出,经过热处理后的I n 2O 3粉体,已不能分 第6期娄向东等:表面活性剂-水热法一步制备纳米I n 2O 3气敏材料1329 辨出I n 2O 3纳米棒,形成了分布不太均匀的膨松状的I n 2O 3颗粒。
可见热处理对于I n 2O 3粉体形貌的影响很大。
图3是以聚乙二醇600做表面活性剂水热法一步制得的未经煅烧的I n 2O 3粉体的TE M 照片。
图3a ,3b 分别为低倍和高倍照片。
两图中均可以看出存在大量I n 2O 3纳米棒,且这些纳米棒是由许多块状的I n 2O 3连在一起形成的。