一種Li摻雜NiO有序納米管氣敏材料及其製備方法與流程

2023-05-19 18:08:11 2

本發明屬於功能材料製備技術領域，尤其是涉及一種Li摻雜NiO有序納米管氣敏材料及其製備方法。

背景技術：

近年來，用於檢測有毒和易燃氣體的半導體氧化物氣敏傳感器具有高敏感，快速響應和恢復，穩定性好以及低成本等優點。常見的半導體氧化物有SnO2、TiO2、ZnO等，而NiO作為一種寬帶隙p型半導體材料，其獨特的電學、磁學、催化特性和氣敏特性，得到人們的重視。

NiO禁帶寬度在3.7eV以上，化學計量比的NiO是Mott-Hubbard型絕緣體，其室溫電導率小於l0-13S/cm，當材料中存在Ni2+空位或者引入Li+離子時將轉變成為p型寬帶隙半導體。納米NiO對外界溫度、光、溼度、氣體等十分敏感，外界條件的改變能迅速引起NiO表面、界面離子價態、電子輸運的變化，利用納米NiO製備出的傳感器而且具有響應快、穩定性好等特點。關於NiO氣敏的研究均集中在零維納米級粉體的方面，合成的NiO基p型稀磁半導體納米材料形貌有納米顆粒、納米線等形貌，而一定取向排列的納米管與塊體材料相比，由於其特殊的尺寸與結構，往往具有取向排列、多孔結構，比表面積大、長徑比大的等優點，更有利於對氣體的吸附，可以有效提高對氣體的靈敏度，同時可以大幅縮小氣敏器件體積、提高性能，便於集成化製造。

目前製備一維NiO納米管材料的方法有很多種，包括模板法，水熱法等。而模版法存在製備的樣品純度不高、產量比較低等缺點，水熱法存在設備要求高、反應周期長、製備的粉體不具有取向排列等缺點，因此很有必要探索一種新的合成Li摻雜NiO有序納米管氣敏材料的方法。

而高壓靜電紡絲法是指利用無機鹽的高分子溶液在梯度電場作用下，以紡絲的形式在接收板上得到複合納米纖維，複合納米纖維再經過高溫退火之後就可以得到無機納米纖維。高壓靜電紡絲法已經製備出了多種無機納米纖維材料，材料具有比表面積大，長徑比大，纖維表面呈現多孔狀，並且具有摻雜精確，過程可控，耗能低，操作方便等優點，已經成為製備一維納米材料的重要途徑。多人採用靜電紡絲法製備了NiO納米纖維，而目前採用靜電紡絲法合成Li摻雜NiO有序納米管氣敏材料的資料鮮有報導。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷，提供一種簡單易行、成本低、方便快速、樣品純度高的Li摻雜NiO有序納米管氣敏材料的製備方法。

實現本發明的技術方案是：一種Li摻雜NiO有序納米管氣敏材料的製備方法，具體步驟如下：

（1）以NiCO3和Li2CO3為原料，NiCO3與Li2CO3的物質的量之比為0.99:0.01-0.9:0.1，將原料溶解在體積分數為5%-10%的稀鹽酸中，加入高聚物PVP製備出殼層紡絲液，高聚物PVP與稀鹽酸的質量比為1:2-4；

（2）將高聚物PVP將加入到酒精中，高聚物PVP與酒精質量之比為1:2-3，製備出芯層紡絲液；

（3）將步驟（1）中的殼層紡絲液和步驟（2）中的芯層紡絲液進行靜電紡絲得到樣品，收集裝置由絕緣基板和平行布設於絕緣基板上的兩塊導體金屬板組成，兩塊導體金屬板之間的距離為5mm-20mm，將得到的樣品放入馬弗爐中進行熱處理，得到Li摻雜NiO有序納米管氣敏材料。

所述步驟（3）中兩塊導體金屬板材質為鐵、鎳等金屬材料，絕緣基板的材料為聚四氟乙烯、聚氯乙烯、橡膠等絕緣材料。

所述步驟（3）中熱處理條件是：升溫速率為1-3℃/min，在600-900℃保溫1-4小時。

所述Li摻雜NiO有序納米管氣敏材料可用於作為檢測甲醛、酒精等氣體的半導體材料。

本發明的有益效果是：提供了Li摻雜NiO有序納米管氣敏材料及其製備方法，採用同軸靜電紡絲法和由絕緣基板和平行布設於絕緣基板上的兩塊導體金屬板組成的收集裝置，得到Li摻雜NiO有序納米管氣敏材料。製備的Li摻雜NiO有序納米管氣敏材料具有比表面積大，長徑比大，有一定的取向性，並且具有摻雜精確，過程可控，耗能低，操作方便等優點。採用以NiCO3和Li2CO3為原料，成本較低。

附圖說明

圖1為實施例1製備的Ni0.99Li0.01O納米管的X射線衍射（XRD）圖譜；

圖2為實施例1製備的Ni0.99Li0.01O納米管的透射電子顯微鏡（TEM）圖譜；

圖3為實施例1製備的Ni0.99Li0.01O有序納米管的掃描電子顯微鏡（SEM）圖譜；

圖4為實施例1製備的Ni0.99Li0.01O納米管的氣敏特性。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。

實施例1

以NiCO3和Li2CO3為原料，按照Ni元素、Fe元素物質的量之比為0.99:0.01稱量樣品，以體積分數5%稀鹽酸為溶劑，將原料在溶劑中充分溶解，加入高聚物PVP，高聚物PVP與稀鹽酸質量之比為1:2，製備出殼層紡絲液，將高聚物PVP將加入到酒精中，高聚物PVP與酒精質量之比為1:2，製備出芯層紡絲液；採用靜電紡絲儀器進行樣品的製備和收集。

收集裝置由聚四氟乙烯絕緣基板和平行布設於絕緣基板上的兩塊銅板組成，兩塊導體收集板之間的距離為5mm，將得到的樣品放入馬弗爐中進行熱處理，升溫速率為1℃/min，在600℃保溫4小時，得到Li摻雜NiO有序納米管氣敏材料。

該實施例製備的Ni0.99Li0.01O納米管的X射線衍射(XRD)圖譜如圖1所示。從圖中可以看出，在2θ=37.2°，43.4°，62.9°，75.2°和79.4°處出現的分別對應於立方相NiO(111)、(200)、(220)、(311)和(222)晶面的五個特徵峰外。不存在與Li相關的其他物相的衍射峰，這表明在Li摻雜量較低時，製備出的Ni0.99Li0.01O的晶體仍然具有立方晶相結構，Li離子很好地進入了NiO的晶格，而不是形成新的雜相。

該實施例製備的Ni0.99Li0.01O納米管的透射電子顯微鏡（TEM）圖譜如圖2所示，從圖中可以看出最終合成的Ni0.99Fe0.01O納米管，外形為管狀。製備的Ni0.99Li0.01O納米管的掃描電子顯微鏡(SEM)圖如圖3所示，從圖中可以看出Ni0.99Li0.01O納米管有一定的取向。

如圖4所示實例1製備的Ni0.99Li0.01O納米管對不同濃度的HCHO氣體的靈敏度曲線。隨著HCHO氣體濃度的提高，厚膜氣敏元件的靈敏度也相應增加，Ni0.99Li0.01O納米管表現出良好的HCHO氣敏性能。

實施例2

以NiCO3和Li2CO3為原料，按照Ni元素、Li元素摩爾比為0.9:0.1稱量樣品，以體積分數10%稀鹽酸為溶劑，將原料在溶劑中充分溶解，加入高聚物PVP，高聚物PVP與稀鹽酸質量之比為1:4，製備出殼層紡絲液，將PVP將加入到酒精中，高聚物PVP與酒精質量之比為1:3，製備出芯層紡絲液；採用靜電紡絲儀器進行樣品的製備和收集。收集裝置由橡膠絕緣基板和平行布設於絕緣基板上的兩塊鋁板組成，兩塊導體收集板之間的距離為20mm，將得到的樣品放入馬弗爐中進行熱處理，升溫速率為3℃/min，在900℃保溫1小時，得到Li摻雜NiO有序納米管氣敏材料。

實施例3

以NiCO3和Li2CO3為原料，按照Ni元素、Li元素摩爾比為0.95:0.15稱量樣品，以體積分數8%稀鹽酸為溶劑，將原料在溶劑中充分溶解，加入高聚物PVP，高聚物PVP與稀鹽酸質量之比為1:3，製備出殼層紡絲液，將高聚物PVP將加入到酒精中，高聚物PVP與酒精質量之比為1:2.5，製備出芯層紡絲液；採用靜電紡絲儀器進行樣品的製備和收集。收集裝置由聚氯乙烯絕緣基板和平行布設於絕緣基板上的兩塊鐵板組成，兩塊導體收集板之間的距離為15mm，將得到的樣品放入馬弗爐中進行熱處理，升溫速率為2℃/min，在800℃保溫1小時，得到Li摻雜NiO有序納米管氣敏材料。