[发明专利]一种Nb-NiO纳米材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及气体传感器敏感材料技术领域，具体公开一种Nb‑NiO纳米材料及其制备方法和应用。所述Nb‑NiO纳米材料，是将Nb元素掺杂于NiO晶格中得到最大对角线长度在480‑550nm的二维纳米片状晶体。所述Nb‑NiO纳米材料的制备方法是将可溶镍盐和铌盐加入乙二醇和去离子水组成的混合溶液中，加入尿素，水热反应，并对生成的固体进行烧结得到。本发明的Nb‑NiO纳米材料作为气体传感器的敏感材料，对二甲苯气体有着响应速度快、响应值高以及选择性好的优良特性。

技术领域

本发明涉及气体传感器敏感材料技术领域，尤其涉及一种Nb-NiO纳米材料及其制备方法和应用。

背景技术

近几十年来，随着经济和工业化的迅速发展，有机挥发性化合物如苯、甲苯、二甲苯、甲醛、丙酮的排放已经引起了人们的广泛关注。二甲苯作为一种有毒气体污染物，在工业生产领域被广泛使用和释放，包括作为化学中间体合成聚酯、油漆、橡胶和皮革工业中的溶剂，同时，在汽油、香烟、烟雾、建筑和装饰材料等中也被广泛使用。二甲苯气体的排放会造成空气污染并且危害人体健康，长期接触14ppm二甲苯和短期吸入低至50ppm的二甲苯会损害人体呼吸系统、中枢神经系统、肝脏、肾脏、眼睛和皮肤。因此，有效检测环境中二甲苯气体的含量也是至关重要的。

在各类气体传感器中，金属氧化物半导体型气体传感器因其具有高灵敏度、选择性好、响应恢复快、成本较低与携带方便等优点，成为目前应用最为广泛的气体传感器之一。金属氧化物半导体气体传感器可以利用敏感材料直接吸附待测气体，使得材料的电学性质等特征发生变化，通过检测外围电路对敏感元件的输出信号变化而检测待测气体的浓度。氧化镍作为一种典型的p型金属氧化物半导体，具有可调节的带隙、卓越的电性能和优异的化学稳定性，且氧化镍对有机挥发性化合物具有突出的氧化催化活性，这使其成为设计和制造用于有机挥发性化合物检测的高性能气体传感器的良好候选者，然而，由于其特殊的平行传导路径(电阻粒子核和半导体近表面区域)，p型金属氧化物半导体虽然对苯、甲苯、二甲苯、甲醛、丙酮都有一定的响应，但响应值和选择性都较低，限制了p型金属氧化物半导体型气体传感器的应用领域。

发明内容

针对现有p型金属氧化物制作的气体传感器敏感材料的响应值低、选择性差的问题，本发明提供一种Nb-NiO纳米材料及其制备方法和应用。

为达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下的技术方案：

一种Nb-NiO纳米材料，其是将Nb元素掺杂于NiO晶格中得到最大对角线长度为480-550nm的二维纳米片状晶体。

相对于现有技术，本发明提供的Nb-NiO纳米材料，通过Nb元素掺杂于NiO晶格中得到的最大对角线长度在480-550nm的二维纳米片状晶体，其不但具有极高的比表面积，同时片状晶上形成了均匀的纳米孔状结构，显著增加了其活性位点，并促进了气体在其内部的传输，从而显著提高了其对气体检测的敏感性和选择性，尤其对二甲苯气体有着响应速度快、响应值高、敏感性高的优良特性，相对于传统的氧化镍纳米片，其气体敏感性提高了110倍左右，选择性至少提高了2-16.1倍。

本发明还提供所述Nb-NiO纳米材料的制备方法。该制备方法具体为：将可溶性镍盐和铌盐加入乙二醇和去离子水组成的混合溶液中，溶解后，加入尿素，80-150℃水热反应3-8h，冷却得到悬浊液，固液分离，并将固体在400-600℃下烧结1-5h得到Nb-NiO纳米材料。

相对于现有技术，本发明提供的Nb-NiO纳米材料的制备方法，采用快速的水热合成方法，将可溶镍盐和铌盐加入乙二醇和去离子水组成的混合溶液中，加入尿素后，在特定温度下反应，并对反应产物进行烧结，使得到的Nb-NiO二维纳米片状晶体中，Nb在NiO晶格中均匀掺杂，不但提高了Nb-NiO纳米材料的比表面积和孔体积，而且调节了形成的Nb-NiO纳米材料载流子浓度，实现了电子敏化，从而进一步提高了气体检测的敏感性和选择性。