本發(fā)明涉及納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體說涉及一種用于室溫H₂S氣敏傳感材料氧化鎳及其制備方法。

背景技術(shù)：

半導(dǎo)體型氣敏傳感器通常是使用半導(dǎo)體金屬氧化物或者金屬氫氧化物制作而成，該傳感器具有很多優(yōu)點(diǎn)例如：制作工藝簡單、靈敏度高、響應(yīng)速度快、成本低廉、操作起來方便等等，被廣泛應(yīng)用在氣體監(jiān)測，環(huán)境安全等方面。半導(dǎo)體氣體傳感器在氣體傳感器家族應(yīng)用中約占60％，根據(jù)其機(jī)理不同可分為電阻式和非電阻式，其中，在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用最多的是半導(dǎo)體氣體傳感器主要為電阻型的氣體傳感器。電阻型半導(dǎo)體氣體傳感器是根據(jù)待測氣體在敏感材料表面發(fā)生吸附-脫附，傳感器的電阻隨著待測氣體濃度的變化而發(fā)生變化的工作原理進(jìn)行。常見的半導(dǎo)體氣體傳感器主要有氧化鎳(NiO)、氧化鐵(Fe₂O₃)、氧化銦(In₂O₃)、二氧化鈦(TiO₂)和三氧化鎢(WO₃)等。

氧化鎳(NiO)作為一種P型氧化物半導(dǎo)體材料，近年來由于發(fā)現(xiàn)它具有對H₂S，NO_x，H₂和NH₃等有毒有害性氣體的選擇性敏感作用而受到人們的關(guān)注。H₂S是一種有害氣體，廣泛存在于煤礦、造紙等工業(yè)廢氣中，空氣中允許的H₂S氣體的極限是20×10^-6，因此對空氣中微量H₂S氣體的選擇性定量檢測已成為環(huán)保部門亟待解決的課題之一。近年來有些學(xué)者致力于氣體氣敏傳感材料的研究，也有一些相關(guān)的研究成果報道[例如：T.T.Yu,X.L.Cheng,X.F.Zhang,L.L.Sui,Y.M.Xu,S.Gao,H.Zhao,L.H.Huo.Highly sensitive H₂S detection sensors at low temperature based on hierarchically structured NiO porous nanowall arrays[J],J.Mater.Chem.A,2015,3,11991-11999.]。

本發(fā)明所制備出的氧化鎳為三維花狀多級納米結(jié)構(gòu)，明顯具有以下優(yōu)勢：其一，制備氧化鎳的原料易得，方法簡單；其二，具有三維多級花狀納米結(jié)構(gòu)的氧化鎳氣敏材料具有大的比表面積和孔洞，利于吸附氧和H₂S的有效擴(kuò)散，也能提供更多的表面活化中心從而有利于提高靈敏度和響應(yīng)時間。另外，目前合成的用于氣敏傳感材料的氧化鎳進(jìn)行氣敏測試時都需要一定的加熱溫度，因此能夠在室溫下測得高的氣敏性能是一個很有價值的探索話題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

合成一種三維花狀多級結(jié)構(gòu)氧化鎳納米材料，本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，采用水熱法合成出用于室溫H₂S氣敏傳感材料的氧化鎳納米材料，該材料除具有花狀結(jié)構(gòu)外，同時，該材料還具有樹突結(jié)構(gòu)。

一種用于室溫H₂S氣敏傳感材料的氧化鎳的制備方法，其特征在于，采用水熱法合成，以六水合硝酸鎳為基底，尿素為沉淀劑，制備氫氧化鎳中間體，將其進(jìn)行煅燒，制備出氧化鎳納米材料，其步驟為：

(1)氫氧化鎳中間體的制備

稱取0.1454g六水合硝酸鎳與0.1202g尿素加入到50mL燒杯中，加入20mL去離子水，放入超聲波清洗儀中超聲3min，以使固體原料完全溶解于超純水中，將得到的澄清綠色溶液裝入50mL反應(yīng)釜中，110℃水熱12h，待冷卻至室溫，將得到的沉淀產(chǎn)物離心洗滌后置于60℃烘箱內(nèi)烘干12h得到綠色粉末即為氫氧化鎳中間體；

(2)熱處理得到氧化鎳

將上述氫氧化鎳中間體放入石英舟中，在馬弗爐中以1℃·min^-1的升溫速率至300℃，煅燒2小時，得到黑色粉末產(chǎn)物NiO。

(3)H₂S氣敏原件的組裝及測試

稱取2.2mg樣品置于2.0mL離心管內(nèi)，加入去離子水20μL超聲5min制得懸浮液。用微量注射器取10μL懸濁液滴在金叉指電極上，放入烘干箱60℃烘干3h，得到氣敏元件。通過測試敏感材料在空氣中和不同濃度NO_x氣體氛圍中的電阻變化，靈敏度(Sensitivity，記為S)定義為S＝R_g/R_a，其中R_a為氣敏元件在空氣中的電阻值，R_g為氣敏元件在H₂S氣體中的電阻值。響應(yīng)時間為氣敏元件在接觸待檢測氣體時，其靈敏度達(dá)到最大靈敏度的85％所需要的時間。

與現(xiàn)有研究成果相比，本發(fā)明的優(yōu)勢在于：

1、本發(fā)明制備的氧化鎳氣敏傳感材料是在室溫下進(jìn)行測試的；

2、本發(fā)明制備的氧化鎳氣敏傳感材料對H₂S有較高的響應(yīng)；

3、本發(fā)明制備的氧化鎳氣敏傳感材料對H₂S的響應(yīng)具有較快的響應(yīng)時間，尤其是在97.0ppm濃度下只需要3.5s；

4、本發(fā)明制備的氧化鎳氣敏傳感材料流程簡單，無需昂貴設(shè)備，原料易得，總體成本低廉。

附圖說明

圖1是NiO納米材料的15000倍掃描電子顯微鏡圖片；

圖2是NiO納米材料的27000倍掃描電子顯微鏡圖片；

圖3是NiO納米材料的60000倍掃描電子顯微鏡圖片；

圖4是NiO納米材料的220000倍掃描電子顯微鏡圖片；

圖5是NiO納米材料的XRD譜圖；

圖6是室溫下NiO對97.0-0.485ppm H₂S的氣敏響應(yīng)曲線圖；

具體實(shí)施方式

本發(fā)明所選用六水合硝酸鎳，尿素均為市售分析純產(chǎn)品，超純水實(shí)驗(yàn)室自制；所用的玻璃儀器和設(shè)備是實(shí)驗(yàn)室中常用的儀器和設(shè)備。

實(shí)施例：稱取0.1454g六水合硝酸鎳與0.1202g尿素加入到50mL燒杯中，加入20mL去離子水，放入超聲波清洗儀中超聲3min，以使固體原料能溶解于超純水中，將得到的澄清綠色溶液裝入50mL反應(yīng)釜中，110℃水熱12h，待冷卻至室溫，將得到的沉淀產(chǎn)物離心洗滌后置于60℃烘箱內(nèi)烘干12h得到綠色粉末，將粉末產(chǎn)物放入石英舟中，在馬弗爐中以1℃·min^-1的升溫速率至300℃，煅燒2小時，得到黑色粉末產(chǎn)物，該產(chǎn)物為三維多級納米花結(jié)構(gòu)，如圖1所示。圖2-4可以看出該產(chǎn)物還具有樹突結(jié)構(gòu)。

所制備的NiO納米材料具有良好的結(jié)晶性，其衍射峰的d值和相對強(qiáng)度與NiO的PDF標(biāo)準(zhǔn)卡片(47-1049)所列的d值和相對強(qiáng)度一致，屬于斜方六面體，如圖5所示。

稱取2.2mg樣品置于2.0mL離心管內(nèi)，加入去離子水20μL超聲5min制得懸浮液。用微量注射器取10μL懸濁液滴在金叉指電極上，放入60℃的烘干箱烘干3h，得到氣敏元件。采用氣敏測試系統(tǒng)測試在室溫下對不同濃度H₂S氣體的響應(yīng)，如圖6所示有明顯響應(yīng)。

當(dāng)然，本發(fā)明還可有其他多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員可根據(jù)本發(fā)明做出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。