一种基于二氧化钛/钒酸铟异质结构纳米纤维的气敏元件及其应用制造技术

本发明专利技术涉及一种基于TiO2/InVO4异质结构纳米纤维的气敏元件及其应用，本发明专利技术所述气敏元件中的气敏材料为TiO2/InVO4异质结构纳米纤维，所述TiO2/InVO4异质结构纳米纤维中，TiO2与InVO4的摩尔比为0.25～4:1，本发明专利技术所提供的气敏材料对氨气具有良好的选择性，在温度250℃、气体浓度为100ppm的条件下，气敏材料对氨气的灵敏度的30.5。对氨气的响应时间为10s,恢复时间为10s。相比于TiO2纳米纤维，通过InVO4耦合改性后的TiO2/InVO4异质结构气敏材料气敏灵敏度得到了大幅提高、缩短了响应/恢复时间、降低了工作温度。

Gas sensor based on TiO2 / indium vanadate heterostructure nanofibers and its application

The present invention relates to a gas sensor based on a titanium dioxide/InVO4 heterostructure nanofiber and its application. The gas sensing material in the gas sensor is a titanium dioxide/InVO4 heterostructure nanofiber. In the titanium dioxide/InVO4 heterostructure nanofiber, the molar ratio of titanium dioxide to InVO4 is 0.25-4:1. The gas sensing material provided by the present invention is a pair of gas sensing materials. Ammonia has good selectivity. The sensitivity of the gas sensitive material to ammonia is 30.5 at 250 C and 100 ppm. The response time to ammonia is 10s, and the recovery time is 10s. Compared with TiO2 nanofibers, the gas sensitivity of TiO2/InVO4 heterostructure gas sensitive materials modified by InVO4 coupling has been greatly improved, the response/recovery time has been shortened, and the working temperature has been reduced.

【技术实现步骤摘要】
一种基于二氧化钛/钒酸铟异质结构纳米纤维的气敏元件及其应用
本专利技术涉及一种基于TiO2/InVO4异质结构纳米纤维的气敏元件及其应用，属于半导体气敏传感器领域。
技术介绍
随着近年来环境污染、气体泄漏以及生产安全问题此起彼伏，寻求一种高效的气敏传感器是目前重大课题之一。电阻型的金属氧化物半导体，由于对大多数气体具有良好的响应灵敏度、价格低廉、制备方便等优点得到了广泛的关注(ACSNano5,92–8001(2011).；Nanoscale3,154–165(2011).)TiO2半导体作为一种代表性的气敏半导体材料，具有物理化学性质稳定、无毒无害、环境友好等的优势(Adv.Funct.Mater.18,1131–1137(2008).)，被认为是最具应用前景的半导体气敏材料。但不幸的是，因其低灵敏度、较长的响应/恢复时间，较高的工作温度，在一定程度上限制了TiO2基气敏传感器的工业化应用。目前，针对这些问题，研究者们采用增大比表面积(Adv.Mater.20,1044–1049(2008).)、元素掺杂(Nanoscal.Res.Lett.9,1–9(2014).)、表面贵金属修饰(NanoLett.13,3287–3292(2013).)、半导体异质结构(ACSAppl.Mater.Interfaces7,24950–24956(2015).)等方式，对TiO2基气敏传感器进行了改性修饰。其中，采用半导体耦合制备异质结构是一种改善TiO2基气敏传感器性能的有效方式，能有效的提高气敏灵敏度、缩短响应/恢复时间(Appl.Phys.A115,1223–1229(2014).；ACSAppl.Mater.Interfaces5,12310–12316(2013).)。InVO4是一种n型半导体(禁带宽度约为2.0)具有优异的电化学性能，但是据报道，InVO4颗粒在工作温度为200～400℃时，对1000ppm浓度的氨气几乎没有响应(J.ColloidInterf.Sci.295(2006)440–444)。由于目前制备TiO2/InVO4异质结构工艺繁琐，实验步骤冗杂，且样品形貌难以控制，异质结分布不均匀，因此未有关于TiO2/InVO4异质结构的气敏性能研究的报道。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于二氧化钛(TiO2)/钒酸铟(InVO4)异质结构纳米纤维的气敏元件及其应用。本专利技术一种基于TiO2/InVO4异质结构纳米纤维的气敏元件，所述气敏元件中的气敏材料为TiO2/InVO4异质结构纳米纤维。本专利技术一种基于TiO2/InVO4异质结构纳米纤维的气敏元件，所述TiO2/InVO4异质结构纳米纤维中，TiO2与InVO4的摩尔比为0.25～4:1。本专利技术一种基于TiO2/InVO4异质结构纳米纤维的气敏元件，所述气敏材料为由TiO2/InVO4异质结构纳米纤维构成的厚膜，所述厚膜的厚度为1-2μm。作为进一步的优选，所述TiO2/InVO4异质结构纳米纤维中，TiO2与InVO4的摩尔比为2～4:1。作为更进一步的优选，所述TiO2/InVO4异质结构纳米纤维中，TiO2与InVO4的摩尔比为4:1。优选的，气敏材料的制备方法为：将TiO2/InVO4异质结构纳米纤维置于乙醇溶剂中，放于超声分散装置中使其分散均匀，获得粘稠浆液，再将粘稠浆液涂覆在氧化铝陶瓷管表面，经多次涂覆获得厚度为1-2μm的厚膜。优选的，所述气敏元件包括上述制备气敏材料，加热电极，检测电极，所述加热电极为置于氧化铝陶瓷管内的Ni-Cr合金的加热丝，所述检测电极为陶瓷管外壁与厚膜之间引出的四个铂电极，用于电学参数测试。在本专利技术中，气敏测试采用气敏元件测试系统(HW-30A)通过静态配气法对TiO2/InVO4纳米纤维气敏元件进行气敏性能测试。通过测试气敏元件在空气中和不同种类气体氛围下的电阻变化，来表征气敏元件的气敏传感性能。本专利技术中的气敏传感性能用灵敏度表征，灵敏度＝Ra/Rg，所述Ra为在空气氛围下气敏元件的阻值，所述Rg为在检测气体氛围下气敏元件的阻值。本专利技术一种基于TiO2/InVO4异质结构纳米纤维的气敏元件的应用，将所述气敏元件应用于检测气体，所述气体包含氨气(NH3)、一氧化碳(CO)、氢气(H2)、甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)中的任意一种。本专利技术一种基于TiO2/InVO4异质结构纳米纤维的气敏元件的应用，在温度250℃、气体浓度为100ppm条件下，所述气敏元件对氨气的灵敏度为13.7～30.5，所述气敏元件对一氧化碳的灵敏度为5～10.6，所述气敏元件对氢气的灵敏度为4.5～10.1，所述气敏元件对甲烷的灵敏度为5.5～13，所述气敏元件对二氧化碳的灵敏度为5.4～11。作为进一步的优选，所述气敏元件中的气敏材料TiO2/InVO4异质结构纳米纤维中，TiO2与InVO4的摩尔比为4:1时，在温度250℃、气体浓度为100ppm条件下，所述气敏元件对氨气的灵敏度为30.5，所述气敏元件对一氧化碳的灵敏度为10.6，所述气敏元件对氢气的灵敏度为10.1，所述气敏元件对甲烷的灵敏度为13，所述气敏元件对二氧化碳的灵敏度为11。本专利技术所提供的气敏材料对氨气具有良好的选择性。本专利技术一种基于TiO2/InVO4异质结构纳米纤维的气敏元件的应用，在温度200～400℃、气体浓度为100ppm的条件下，气敏元件对氨气的灵敏度的10～30.5。作为进一步的优选，在温度250～350℃、气体浓度为100ppm的条件下，气敏元件对氨气的灵敏度的12～30.5。作为更进一步的优选，所述气敏元件中的气敏材料TiO2/InVO4异质结构纳米纤维中，TiO2与InVO4的摩尔比为4:1时，在温度250℃～300℃、气体浓度为100ppm的条件下，气敏元件对氨气的灵敏度的26～30.5。而TiO2纳米纤维气敏元件，在温度200～400℃、气体浓度为100ppm的条件下，对氨气的灵敏度的2.5～7.5。其中在350℃、气体浓度为100ppm的条件下，对氨气的灵敏度达到最高值7.5。而在250℃、气体浓度为100ppm的条件下，对氨气的灵敏度为4。可以看出TiO2/InVO4异质结构纳米纤维气敏材料的灵敏度要远优于TiO2纳米纤维气敏材料，在250℃、气体浓度为100ppm的条件下，为TiO2纳米纤维气敏材料灵敏度的7.6倍。同时灵敏度的最高值，TiO2/InVO4异质结构纳米纤维气敏材料发生于250℃，而TiO2纳米纤维气敏材料发生于350℃，说明TiO2/InVO4异质结构纳米纤维气敏材料具有较低的工作温度。本专利技术一种基于TiO2/InVO4异质结构纳米纤维的气敏元件的应用，在温度250℃、气体浓度为10～1000ppm的条件下，气敏元件对氨气的灵敏度为2～40.5。而当气敏元件中的气敏材料，TiO2/InVO4异质结构纳米纤维中，TiO2与InVO4的摩尔比为4:1时，在温度250℃、在10ppm的低浓度下，TiO2/InVO4异质结构纳米纤维气敏元件对氨气的灵敏度仍能达到5。而在温度250℃、在10ppm的低浓度下，TiO2纳米纤维气敏元件对氨气的灵敏度为仅为1.7。可以看出TiO2/InVO本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于TiO2/InVO4异质结构纳米纤维的气敏元件，其特征在于：所述气敏元件中的气敏材料为TiO2/InVO4异质结构纳米纤维。

【技术特征摘要】
1.一种基于TiO2/InVO4异质结构纳米纤维的气敏元件，其特征在于：所述气敏元件中的气敏材料为TiO2/InVO4异质结构纳米纤维。2.根据权利要求1所述的一种基于TiO2/InVO4异质结构纳米纤维的气敏元件，其特征在于：所述气敏材料为由TiO2/InVO4异质结构纳米纤维构成的厚膜，所述厚膜的厚度为1-2μm，所述TiO2/InVO4异质结构纳米纤维中，TiO2与InVO4的摩尔比为0.25～4:1。3.根据权利要求1所述的一种基于TiO2/InVO4异质结构纳米纤维的气敏元件，其特征在于，所述TiO2/InVO4异质结构纳米纤维通过静电纺丝法一步制备。4.根据权利要求3所述的一种基于TiO2/InVO4异质结构纳米纤维的气敏元件，其特征在于，所述TiO2/InVO4异质结构纳米纤维的制备方法，包括如下步骤：采用静电纺丝法将前驱体溶液纺丝得到纳米纤维，然后将纳米纤维在含氧气氛下退火即得到TiO2/InVO4异质结构纳米纤维，所述前驱体溶液包含TBT，In(NO3)3，VO(acac)2，PVP；所述前驱体溶液中钛元素与铟元素的摩尔比为0.25～4:1，所述前驱体溶液中铟元素与钒元素的摩尔比为1:1～1.62。5.根据权利要求4所述的一种基于TiO2/InVO4异质结构纳米纤维的气敏元件，其特征在于，所述前驱体溶液由溶液A和溶液B混合均匀获得，所述溶液A由如下质量百分比的组分组成：TBT15.5wt％～17wt％，无水乙醇36.5wt％～39wt％，冰乙酸38wt％～41wt％，PVP6wt％～8.5wt％；所述溶液B由如下质量百分比的组分组成：VO(acac)25wt％～7.5wt％，水合硝酸铟6wt％～7.5wt％，PVP5.5wt％～7wt％，二甲基乙酰胺76wt％～84wt％，同时溶液B中铟元素与钒...

【专利技术属性】
技术研发人员：周云，欧阳晓平，王媛，吴涛，丁秋杰，李珺煜，齐福刚，刘利新，祝文军，陈静，曹红帅，
申请(专利权)人：湘潭大学，中国工程物理研究院流体物理研究所，
类型：发明
国别省市：湖南,43