[发明专利]多孔氧化钴纳米线及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料领域，涉及一种多孔氧化钴纳米线及其制备方法与应用。

背景技术

一维纳米结构材料，因其具有较高的表体比、更多的暴露活性位点以及优异的物理学性能，在能源、环境等领域有着广阔的应用前景。本发明涉及的一维多孔表面氟离子掺杂四氧化三钴纳米线兼备了一维材料良好的物理学优势和多孔材料比表面积大、暴露活性位点多的化学优势。这种一维多孔结构，非常有利于气体分子在材料表面扩散，促进表面反应进行；同时，通过在材料表层引入氟离子掺杂，可以提高材料的电子传输能力，促进化学信号向电学信号传递，以上两点的实现对提高金属氧化物半导体型气敏材料的低温气敏性能起到关键作用。这是因为气敏传感机理复杂、影响因素较多，在进行材料设计时应充分考虑到，良好的气敏材料不仅要具有良好的表面催化、表面反应等化学特性，同时还应具有适当的半导体能级结构和导电性等物理学特性。目前文献中尚未见此种氟离子掺杂多孔四氧化三钴纳米线的结构报道。

金属氧化物半导体型气敏传感器由于具有物理化学性质稳定、制备成本低、应用范围广、易于集成等诸多优点，从其首次成功商业应用以来，一直是气敏材料研究和开发领域的研究热点之一。四氧化三钴纳米材料是一类典型的p型半导体过渡金属氧化物材料(E_g≈1.48eV～2.19eV)，因具有优良催化性能和较好的电学性能，在气敏传感领域越来越受到重视。。但是，目前，四氧化三钴用作气敏材料时还存在着和其它金属氧化物半导体型气敏材料类似的不足，例如响应灵敏度低、选择性差、工作温度较高等。这一方面是因为大多金属氧化物半导体在室温或近室温条件下电阻率很大(常大于10⁸Ω·cm)，相对较小的电阻变化不易检测；另一方面，很多敏感材料只有在较高的温度下表面才能产生足够多的、有效的活性物种，引起表面电导率变化。但是，较高的工作温度在实际应用中要求有附加加热系统以维持其最好工作状态，这不仅会增加能耗和使用成本，同时，在作为易燃、易爆等气源监测元件时，高热的气敏元件本身会成为潜在的起爆源，而使用具有低工作温度甚至室温工作的气敏元件不仅可以有效减少或避免上述不利因素的影响，而且较低的工作温度对提高气敏材料的选择性非常有利。因此，开发低成本制备具有低工作温度的高性能气敏材料具有重大的实际意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种多孔氧化钴纳米线及其制备方法与应用。

本发明提供的制备四氧化三钴纳米线的方法，包括如下步骤：

将可溶性无机钴盐、无机氟盐、碱源与水混匀后进行水热反应，反应完毕后收集絮状沉淀进行煅烧，得到所述四氧化三钴纳米线。

上述方法中，所述可溶性无机钴盐选自氯化钴、硝酸钴和硫酸钴中的至少一种；

所述无机氟盐为氟化钠、氟化铵或氟化钾；

所述碱源为尿素、碳酸钠或碳酸氢钠。

所述可溶性钴盐、无机氟盐、碱源的摩尔比为1：1：1，所述可溶性钴盐与水的摩尔比为1：3000～4000，具体为1：3556；

所述水热反应步骤中，温度为120-160℃，具体为120℃、140℃、150℃或160℃，反应时间为2-12小时，具体为2小时、4小时、8小时或12小时。

所述煅烧步骤中，煅烧温度为300-500℃，具体为300℃、350℃、400℃或450℃，由室温升至煅烧所用温度的升温速率为1-5℃/min，具体为1℃/min、2℃/min或4℃/min，时间为1-3小时，具体为1小时、2小时或3小时。

另外，按照上述方法制备得到的四氧化三钴纳米线，也属于本发明的保护范围。其中，所述纳米线为一维多孔结构；所述纳米线的比表面积为60-20m²/g，具体为45m²/g；所述纳米线的直径为50-150nm，具体为100nm；所述纳米线中孔的孔径为2-50nm，具体为3-30nm。

此外，上述本发明提供的四氧化三钴纳米线在制备气敏传感器中的应用及含有该四氧化三钴纳米线的气敏传感器，也属于本发明的保护范围。其中，所述气敏传感器为对一氧化碳敏感的气敏传感器；所述气敏传感器的工作温度不大于100℃，为近室温(T_op≤100℃)。

本发明利用可溶性的廉价钴盐、含氟无机盐以及有机或无机碱(盐)为主要原料，通过水热-固相热处理联合法制得了一种具有一维多孔结构的纳米四氧化三钴材料。