[发明专利]一种基于MOF模板法合成的二氧化钛负载三氧化二铁纳米异质结构的气敏元件

说明书

本发明公开了一种基于MOF模板法合成的TiO₂负载的棒状α‑Fe₂O₃纳米异质结构气敏元件及其应用，其是利用MOFs为模板合成的纳米材料异质结构，属于纳米功能材料制备领域。其具体是采用溶剂热法制备MIL‑88A纳米棒；然后将MIL‑88A纳米棒溶解在无水乙醇中，并加入氨水调节pH；再加入一定量的钛酸四丁酯进行水浴反应；所得产物离心干燥后经空气煅烧，得到TiO₂负载的α‑Fe₂O₃异质结构纳米粉末；最后在所得纳米粉末中加入松油醇研磨均匀后，将其涂抹在陶瓷管上，并置于马弗炉烧结，制得所述气敏元件。该气敏元件具有低高灵敏、响应快、高稳定性、高选择性的气敏特性，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领域，具体涉及一种基于MOF模板法合成的TiO₂负载的棒状α-Fe₂O₃纳米异质结构气敏元件及其应用。

背景技术

近几年，随着我国科学技术的迅猛发展和工业化进程的不断推进，大量工业废气的排放已经给人们的生活带来了严重的影响，尤其是北方大范围雾霾天气的出现，使得空气质量已经成为社会焦点问题。因此，对一些可燃或危害气体的检测具有重大的实际意义。

气敏传感器作为一种检测气体的传感器，可以将被检测气体的浓度或组分转化成相应的电信号，从而可以根据获得的电信号的强弱分析待测气体的相关信息，进而可以起到对有害气体的检测、监控和预警。其中，半导体气敏传感器是一种应用较为广泛的气敏传感器，它主要是以氧化物半导体材料作为气敏材料，常用的有ZnO、TiO₂、SnO₂、α-Fe₂O₃等。对于氧化物半导体而言，当待测气体分子吸附到材料表面后，会引起材料电阻的变化，从而用以检测有害气体。因此，敏感材料的比表面积大小和吸附位点的属性与数量均影响半导体材料的灵敏度和选择性。

多孔材料具有较大的比表面积和良好的通透性，有利于提高对气体的识别能力，同时也加速了气体分子在敏感体内部的扩散，有利于提高敏感材料的利用效率。合成多孔氧化物半导体的主要方法有软模板法、硬模板法等，但是传统的模板法最后除去模板的过程较为复杂，使得该方法在实际应用中受到一定的限制。而多孔纳米材料在日常生活中具有很高的应用价值，使其已逐渐成为纳米材料科学研究的热点。基于多孔纳米材料的组成、孔径、结构等都会直接影响材料的物理化学性能，因此，许多研究者希望能够通过探索其他的合成方法获得不同形貌和组成的多孔金属氧化物，从而实现纳米材料在宏观以及微观领域更广泛的应用。

金属有机骨架化合物(metal-organic frameworks，MOFs)是由含氧、氮的多齿有机配体与金属离子或金属原子簇通过配位共价键连接，自组装形成的具有周期性网络结构的一类材料。同传统材料相对比，MOFs具有孔径可调、超低密度、超高比表面积等优势，因而以其为模板，通过合适的实验条件可以得到一些结构新颖的多孔金属氧化物纳米材料，且其方法具有方法简单、成本低、形貌可控性强等优势，不仅进一步拓宽了金属氧化物、尤其是多孔材料的制备技术，而且在多金属纳米复合材料，例如，金属氧化物/碳复合材料、双金属氧化物核壳结构等领域也受到了很多研究者的关注，并取得迅速的发展。

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）、化学稳定性、自然丰度及无毒性和低成本等优点，广泛应用于光电化学、传感器等领域。但是，传统的单一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。