有序排列In₂O₃纳米纤维及用于制备超快响应酒精传感器的利记博彩app

专利名称：有序排列In₂O₃纳米纤维及用于制备超快响应酒精传感器的利记博彩app
技术领域：
本发明属于半导体气体传感器技术领域，具体涉及一种有序排列的In2O3纳米纤 维及在用于制备超快响应酒精半导体传感器方面的应用。
背景技术：
目前市售的酒精半导体传感器采用的是传统的Sn02、ZnO, Fe2O3> TiO2, WO3纳米粒 子为敏感材料，由于粒子之间团簇作用使得材料的比表面积变小，所以纳米粒子材料传感 器普遍存在响应恢复时间长的缺点。微米和纳米技术最新发展已经提供了新材料的平台，很多注意力都集中在一维结 构纳米材料的合成和应用，如纳米棒，纳米线，纳米管，纳米带。特别是近年来的准一维(ID) 金属氧化物纳米结构已被发现很多的应用，与那些常规的金属氧化物气体检测材料相比许 多传感特性是较大幅度提高，因为一维半导体金属氧化物纳米结构的高比表面积和特殊的 几何结构使它们成为高灵敏度、高效率的敏感材料。静电纺丝技术由于它的多功能性，成本 低已成为探索各种各样的纳米纤维潜在的应用的手段和方法。大量的金属氧化物纳米纤维 利用这种方法被合成，并且应用到各种气体的检测中。目前文献报道中仅是对分布散乱的 纳米纤维网络的气敏特性进行探讨，这种分布散乱的纳米纤维在应用中电子的传输会受到 节点处势垒的影响，目前没有人对这种不足做出合理的改进。一些单根金属氧化物纳米线 气体传感器屡有报道，由于单根纳米线极易折断，因此传感器的长期稳定性几乎谈不上，还 仅是作为一种概念器件。一些纳米纤维被认为更适合于高重复性和高产量传感器的应用。有序排列的金属氧化物纳米纤维有望克服上述问题。近年来，有一些研究者利用 改进的静电纺丝装置和接收极板的电极形状获得了有序排布非常好的纳米纤维。但遗憾的 是，这些定向纳米纤维的研究多数只是停留在合成了有机纳米纤维材料阶段。有序金属氧 化物纳米纤维其在气体传感器领域的应用一直没有相关的报道。本发明中，利用磁场诱导 的静电纺丝方法制备有序排列的金属氧化物In2O3纳米纤维材料。用这种材料研制的气体 传感器对酒精气体具有超快的响应恢复特性，解决了传统市售酒敏传感器响应恢复时间长 的缺点，有望成为非常有发展前景的酒敏传感器。

发明内容
本发明的目的在于克服传统静电纺丝纤维无序的缺点，提供一种经磁场诱导静电 纺丝技术制备的有序排列的In2O3纳米纤维，并利用这种有序排列的In2O3纳米纤维制作灵 敏度高、可逆性和重复性好、响应恢复时间迅速的酒敏传感器。这在新型低维纳米材料的制 备和气体传感器应用领域具有十分重要的价值和现实意义。本发明所述的In2O3纳米纤维，其由如下方法制备(1)将硝酸铟In (NO3) 3溶于10 20ml的二甲基甲酰胺溶剂里，在常温下磁力搅 拌10 30min，形成浓度为0. 1 0. 2g/ml无色透明的溶液；(2)向步骤(1)制得的溶液里加入高分子材料聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，使聚乙烯吡咯烷酮与硝酸铟的摩尔比为1 1 3 1，搅拌10 15h，形成无色透明的In(N03)3/PVP 复合纤维的前驱液溶胶；(3)将步骤⑵获得的In (NO3) 3/PVP复合纤维的前驱液溶胶放入静电纺丝设备的 喷丝管中，以铜丝为阳极，以在铝箔板前面平行设置的一对永磁体为阴极收集板，磁场强度 为50 250mT，永磁体平面垂直于喷丝的方向，复合纤维直接喷到永磁体上，两条永磁体之 间的距离为2 4cm，喷丝管头与收集板之间的距离为15 20cm，施加的静电纺丝电压为 8 30kV，经过36 48h的纺丝后，在阴极收集板上获得In (NO3) 3/PVP复合纤维膜，将复合 纤维膜在500 700°C烧结2 5h除去高分子模板，即得到直径为80 90nm的有序排列 的In2O3纳米纤维。前面所述的有序排列的In2O3纳米纤维可用于制备酒敏传感器，制作过 程如下(1)将有序排列的In2O3纳米纤维溶于去离子水后形成浓度为5 10g/ml的溶液， 将此溶液滴加到具有金测试电极和氧化钌加热层的平面氧化铝基底的上表面；其中，金测 试电极是采用丝网印刷方法制备在平面氧化铝基底的上下表面的，氧化钌加热层制备在氧 化铝基底的下表面；(2)将步骤(1)做好的气敏元件焊接到不锈钢的底座上，加上不锈钢帽后在200°C 老化12 24小时，In2O3纳米纤维层的厚度为0. 5 2mm，即制备得到应用有序排列In2O3 纳米纤维的酒敏传感器。本发明的优点和积极效果是制备方法和制备步骤简单，制作成本低，产量高。利 用有序排列的In2O3纳米纤维和平面氧化铝基底结构制成的酒精气体传感器，在工作温度 为275°C时对酒精气体的响应时间为0. 4s，恢复时间为3s，传感器的可逆性和重复性好，远 远优越于同种纳米粉体材料酒精传感器。本发明中纳米纤维有序排列的机制做如下理解传统的静电纺丝过程中，高分子 溶液在高压电场的作用下形成从喷丝口向收集板的喷射流，这个喷射流表面带着一层极化 电荷。喷射流从喷丝口射出沿直线轨迹运动一段距离后，紧接着变为螺旋环状运动，由于这 种“鞭动”引起了纤维的随机分布。由于磁场的引入而产出的洛伦兹力牵引纤维的两端，形 成扭矩，纤维被有序的搭接在两条磁铁的间隙上，形成有序排列的In2O3纳米纤维。有序排列的In2O3纳米纤维的传感机理为有序排列的纳米纤维传感器敏感机制 由纳米纤维独特的几何结构决定。用表面电荷模型来解释，纳米纤维吸附空气中的氧分子 导致纳米纤维表面形成一层空间电荷区，这些空间电荷区沿着纤维轴向方向可以重叠，这 种重叠减少或消除了传统纳米粉体材料中晶粒间接触势垒高度的影响，因此形成一个连续 的载流子的传输通道，使得纳米纤维材料具有超快的响应恢复特性。


图1 磁场诱导静电纺丝装置示意图；图2 氧化铝基底结构示意图；图3 有序排列的In (NO3) 3/PVP复合纳米纤维扫描电镜照片；图4 有序排列的In2O3纳米纤维扫描电镜照片；图5 本发明制备的传感器在工作温度为275°C时对浓度为500ppm的酒精气体的 响应恢复时间曲线；
图6 本发明制备的传感器在工作温度为275°C时对浓度为500ppm的酒精气体的 五个周期内的响应恢复时间曲线；图7 本发明制备的传感器在工作温度为275°C时对不同浓度的酒精气体的响应 恢复时间曲线；图8 本发明制备的传感器对不同浓度的酒精气体的灵敏度曲线。如图1所示，1为喷丝管，2为前驱液，3为直流高压电源，4为铝箔板，5为平行永磁 体收集板。如图2所示，21为In2O3纳米纤维层，22为金电极，23为氧化铝衬底，24为氧化钌 加热层。如图3、图4所示，纤维表面光滑，直径均勻，呈有序排列。In (NO3) 3/PVP复合纳米 纤维的直径为200 300nm，经过600°C高温烧结除去高分子有机模板后In2O3纳米纤维的 直径在80 90nm之间。如图5、图6、图7所示，有序排列的In2O3纳米纤维对酒精气体具有快速的响应恢 复时间，其中对浓度为500ppm的酒精气体响应时间为0. 4s，恢复时间为3s。在连续的五个 反应周期里，In2O3纳米纤维传感器具有良好的可逆性和重复性。In2O3纳米纤维传感器对 酒精气体的灵敏度随着响应恢复时间的增加呈现递增的趋势。如图8所示，当酒精气体浓度为100 3000ppm时，传感器的灵敏度与气体浓度呈 线性关系；当酒精气体浓度达到4000ppm时，传感器对酒精的灵敏度开始趋于饱和。
具体实施例方式实施例1 1、在50ml的锥形瓶中，将Ig的硝酸铟溶于IOml 二甲基甲酰胺溶剂中，用封口膜 封住瓶口在室温下搅拌20min使其彻底溶解。将2g聚乙烯吡咯烷酮加入到上述溶液中，继 续封口在室温下搅拌IOh得到纺丝前驱液。将前驱液放入电纺丝设备的喷丝管中，将接入 高压端的铜线通入前驱液中，用平行的永磁体作为阴极，永磁体之间的距离为2. 5cm，喷丝 头与永磁体之间的距离为15cm，施加的电压为ISkV进行纺丝。电纺36h后，将磁铁上收集 到的In (NO3) 3/PVP复合纳米纤维装入坩埚在马弗炉中600°C高温煅烧3h，升温梯度为2V / min，所得的既为有序排列In2O3纳米纤维。2、将有序排列的In2O3纳米纤维材料用去离子水滴加到平面氧化铝基底结构上。 氧化铝基底的制备方法是在尺寸为IX 1.5mm的氧化铝衬底上。先用金浆在衬底正反两面 的两端丝网印刷上两条金电极，在800°C烧结30min，一共形成四条尺寸为0. 2Xlmm金电 极。在衬底的背面印刷上氧化钌浆料，在600°C下烧结30min，形成厚度为300μπι氧化钌电 阻加热层。3、将涂有In2O3纳米纤维材料的平面氧化铝基底焊接到不锈钢的底座上，加上不 锈钢帽后在200°C老化12小时，制成应用有序排列In2O3纳米纤维酒敏传感器，In2O3纳米 纤维的厚度是1. 5mm。
权利要求
1.一种有序排列的M2O3纳米纤维，其由如下方法制备(1)将硝酸铟h(NO3) 3溶于10 20ml的二甲基甲酰胺溶剂里，在常温下磁力搅拌10 30min，形成浓度为0. 1 0. 2g/ml无色透明的溶液；(2)向步骤(1)制得的溶液里加入高分子材料聚乙烯吡咯烷酮PVP，使聚乙烯吡咯烷酮 与硝酸铟的摩尔比为1 1 3 1，搅拌10 15h，形成无色透明的In(N03)3/PVP复合纤 维的前驱液溶胶；(3)将步骤(2)获得的^i(NO3)3/PVP复合纤维的前驱液溶胶放入静电纺丝设备的喷 丝管中，以铜丝为阳极，以在铝箔板前面平行设置的一对永磁体为阴极收集板，磁场强度为 50 250mT，永磁体平面垂直于喷丝的方向，复合纤维直接喷到永磁体上，两条永磁体之间 的距离为2 km，喷丝管头与收集板之间的距离为15 20cm，施加的静电纺丝电压为8 30kV,经过36 4 的纺丝后，在阴极收集板上获得h (NO3) 3/PVP复合纤维膜，再将该复合 纤维膜在500 700°C烧结2 证除去高分子模板，即得到直径为80 90nm的有序排列 的M2O3纳米纤维。
2.权利要求1所述的有序排列的^2O3纳米纤维在用于制备酒敏传感器方面的应用。
3.如权利要求1所述的有序排列的^2O3纳米纤维在用于制备酒敏传感器方面的应用， 其特征在于(1)先将有序排列的h203纳米纤维溶于去离子水后形成浓度为5 10g/ml的溶液， 再将此溶液滴加到具有金测试电极和氧化钌加热层的平面氧化铝基底的上表面；其中，金 测试电极是采用丝网印刷方法制备在平面氧化铝基底的上、下表面的，氧化钌加热层制备 在氧化铝基底的下表面；(2)将步骤(1)做好的气敏元件焊接到不锈钢的底座上，加上不锈钢帽后在200°C老化 12 M小时，In2O3纳米纤维层的厚度为0. 5 2mm，即制备得到应用有序排列In2O3纳米 纤维的酒敏传感器。
全文摘要
本发明具体涉及一种有序排列的In2O3纳米纤维及在用于制备超快响应酒精半导体传感器方面的应用，属于一维纳米金属氧化物材料的制备及其半导体气体传感器技术领域。利用可溶性的硝酸盐、高分子材料和溶剂制成前驱液，采用磁场诱导静电纺丝技术制备有序排列的复合纳米纤维，然后经过高温烧结，除去有机高分子模板，得到有序排列的In(NO3)3纳米纤维。利用有序排列的In(NO3)3纳米纤维和平面氧化铝基底结构制成的酒精气体传感器，在工作温度为275℃时对酒精气体的响应时间为0.4s，恢复时间为3s，传感器的可逆性和重复性好，远远优越于同种纳米粉体材料酒精传感器。本发明工艺简单，成本低，产量高。
文档编号D01D5/00GK102080268SQ20101057710
公开日2011年6月1日 申请日期2010年12月7日 优先权日2010年12月7日
发明者张彤, 徐秀娟, 王丽杰, 范会涛, 费腾, 贺媛 申请人:吉林大学