[发明专利]基于溶剂热法可控合成的三氧化二铁纳米材料及其应用

说明书

本发明公开了一种基于溶剂热法可控合成的α‑Fe₂O₃纳米材料及其应用，其是通过改变溶剂链长及调节溶剂极性达到可控合成多级纳米结构的目的，属于纳米功能材料制备领域。其具体是以FeCl₃为反应源物质，六亚甲基四胺或碳酸钠为配体，经过溶剂热法首先得到α‑Fe₂O₃前躯体，然后将其于空气气氛中煅烧得到多级结构的α‑Fe₂O₃纳米粉末。在所得α‑Fe₂O₃纳米粉末中加入松油醇研磨后，均匀涂抹在陶瓷管上并置于马弗炉中烧结，即可制得α‑Fe₂O₃多级结构气敏元件。该气敏元件具有响应快、稳定性高、选择性高的特性，可用于制备半导体气敏传感器。

技术领域

本发明属于纳米功能材料制备技术领域，具体涉及一种基于溶剂热法可控合成的α-Fe₂O₃纳米材料及其作为气敏元件制备气敏传感器的应用。

背景技术

当前，空气质量问题仍然是许多国家面临的一个巨大挑战。一个舒适洁净的空气环境是人们提高生活质量的重要保证，因此有必要对空气质量进行检测。对气体进行检测的常见手段有电化学法、固态电解质法、红外吸收法、化学发光法、声表面波传感器、气相色谱和气敏传感器等。在这些方法中，气敏传感器法被视为最为理想的检测空气的方法。一方面，其具有操作简单、灵敏度高、响应速度快、恢复时间短的优点；另一方面，该类传感器易于控制表面微环境，通过改变氧化物气体传感器的纳米结构和组成，从而有效的影响传感器的传感性能。

气敏传感器作为一种检测气体的装置，其基本工作原理是气体分子与半导体纳米材料之间发生O₂的吸附脱附及氧化还原反应等相互作用来影响材料的导电性能，从而将被测气体的浓度或组分转化成相应的电信号，根据获得的电信号的强弱分析被测气体的浓度等相关信息，进而起到对有害气体的检测、监控和预警作用。现阶段，气敏传感器主要向着低能耗、多功能、低浓度检测、高灵敏度等方向发展。

半导体气敏传感器作为气敏传感器大家族中的一员，主要是以过渡金属氧化物半导体材料作为气敏材料。过渡金属氧化物半导体材料的敏感特性决定着传感器性能的好坏。然而，金属氧化物气敏传感器的灵敏性受各种因素影响，如①载流子的密度和迁移率；②表面修饰作用；③量子尺寸效应；④比表面积大小和材料表面的化学性质。前两个因素可由传感材料类型（n型和p型半导体中的自由电子）和掺杂元素种类进行调控；后两个因素由材料的形貌、形状和尺寸控制。因此，半导体的元素组成和结构形貌对半导体材料的敏感特性有着重要影响。而相较于前驱体热分解法、溶胶凝胶法、模板法等合成方法，溶剂热法方法具有制备过程简单、易操作、结晶程度好，能够有效实现纳米材料结构和形貌的可控合成等优点。

在过渡金属氧化物中，α-Fe₂O₃是一种典型的n型半导体，因其具有良好的光学带隙（Eg=2.1 eV）、高耐蚀性、自然丰度及无毒性和低成本等优点被广泛应用于光电化学、传感器等领域。但是，传统的α-Fe₂O₃半导体敏感材料存在着灵敏度低、选择性差、响应恢复时间长等缺点。同时，特殊级次结构的α-Fe₂O₃半导体通常具有不同于其构筑单元及块体材料的独特物理化学性质。近年来，大量α-Fe₂O₃级次材料如多孔棒状结构、空心球结构、花状结构等纳米气敏材料在气敏传感器上的应用，使其在灵敏度、选择性和响应恢复时间等方面得到较大的改善。因此，基于溶剂热方法，设计新型的反应体系控制合成α-Fe₂O₃多级结构气敏元件具有现实意义。

发明内容