[发明专利]四氧化三钴/五氧化二钽纳米异质结构空心球、其制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种四氧化三钴/五氧化二钽纳米异质结构空心球，该空心球球壳由五氧化二钽纳米颗粒构成，四氧化三钴纳米颗粒附着在球壳表面，四氧化三钴和五氧化二钽形成异质结，球壳厚度在5nm，纳米颗粒大小为2到10nm，空心球直径在80～500nm。本发明利用模板吸附方法通过配置不同金属离子溶液和后续的退火处理制备得到纳米异质结构空心球。空心球比表面积为70.6m²/g，为多孔结构。将本发明的四氧化三钴和五氧化二钽的纳米异质结构空心球涂覆在已经镀好电极的绝缘衬底上可以直接用于测试乙醇气体。本发明制备的空心球，克服了传统的半导体金属氧化物无法直接在室温下检测乙醇的问题，并且，生产成本低，效率高，操作过程简单可控。

技术领域

本发明涉及电子气敏器件技术领域，具体涉及四氧化三钴和五氧化二钽的纳米异质结构空心球、其制备方法及其气体传感器。

背景技术

随着近年高速发展的生活水平，私家车的占有率依旧不断上升，随之而来的交通事故也频频发生，其中酒后驾车更是引发交通事故的罪魁祸首，在给自身及他人生命安全经济财产带来巨大威胁的同时，也严重威胁了我国经济水平的发展。同时，酒精属于易燃易挥发性物质，在工厂中，酒精泄漏的检测具有极其重要的意义。因此，酒精检测仪在生活和生产中都具有极大的实用价值和巨大的市场要求。

现在用于检测气体中酒精含量的设备有：半导体型检测仪，红外型检测仪，色谱分析型检测仪和比色型检测仪。综合考虑成本、灵敏度、准确度等因素，半导体型气敏检测仪的实用率最广。

金属氧化物半导体气体传感器因其优异的性能和广泛的应用领域而受到了大量关注。在金属氧化物半导体气体传感器中，现在使用频率最广的往往是氧化锡，氧化锌等n型半导体氧化物气体传感器，这类氧化物虽然有较好的灵敏度和稳定性，但是往往需要较高的检测温度，而长时间的高温下检测不仅会导致灵敏度和稳定性下降，还会增加使用成本和带来一定的潜在危险性。

今年来，各种方法备用来提升气体传感器的灵敏度和降低其温度，例如，贵金属修饰，过渡金属修饰和制备异质结。在这些方法中，制备异质结是最为广泛和常用的方法，因为它不仅制备成本低而对环境无污染无破坏。

对于利用功能性材料制造的气体传感器，其性能取决于功能性材料的种类、结构与形貌的综合协同作用。对于金属氧化物半导体气敏材料传感器，其性能取决于金属氧化物的种类、结构与形貌的综合协同作用。纳米材料由于具有表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应等特性而广受关注。从空间维度的角度出发，纳米材料可以划分为：零维纳米材料，如纳米粒，原子团簇等；一维纳米材料，如纳米线，纳米片，纳米管，纳米棒等；二维纳米材料，如超薄膜，超晶格等；三维纳米材料，如纳米球，纳米盒等。纳米材料的物理和化学性能很大程度上取决于材料的种类、结构与形貌。三维材料由于其比表面积大的优势，在催化、储能、光学、传感方面具有极大的开发潜能。其中，纳米空心球相较于其他纳米材料而言，往往具有更大的比表面积，与气体更大的接触面积。

灵敏度、选择性和稳定性是评判气体传感器性能的最重要的指标，对于气体传感器而言，这三个指标作为一个整体对气体传感器进行综合评判的指标。传感器的灵敏度是指，通入目标气体后的电阻Rg，与在空气中的初始电阻Ra的比值(S＝Rg/Ra)。当传感器在较低温度下工作时，其材料表面吸附的氧负离子较少，可进行气敏反应的活性位点也较少，所以灵敏度普遍较低甚至无气敏检测性能。选择具有较大比表面积或者暴露面活性位点较多的材料用于气敏检测，可以提升传感器的灵敏度。

传感器的选择性是指，在有干扰气体的环境氛围中，传感器只对某种气体有反应，或者对此种气体的灵敏度远远高于其他气体。良好的选择性是气敏传感器可用于检测对应气体的前提，气敏材料具有良好的选择性时，才能排除检测环境中其他气氛的干扰，保证检测结果的可靠性。传感器选择性的高低可通过目标气体灵敏度与干扰气体灵敏度的比值来表征，比值越高，说明传感器的选择性越好。