In2O3基纳米材料气敏性能研究综述
严超,杨方源,杨占金,匡代洪*
(新疆农业大学数理学院,新疆乌鲁木齐 830052)摘要
In2O3半导体纳米材料由于具有较高的响应灵敏度、较快的响应-恢复时间,是气敏领域的明星材料,得到了广大研究者的青睐。然而,In2O3气敏材料由于化学组份单一往往催化能力有限,气敏性能不太理想(灵敏度较低、相应的恢复时间较长、功耗较高),严重限制了其在日常生产生活中的应用。实验证明:对单一的气敏材料修饰改性可以有效提升材料的气敏性能。国内外广大研究者相继对In2O3进行了大量的研究工作并取得了显著的成果。综述了In2O3气体传感器最新的研究进展,对近些年In2O3半导体纳米材料发展存在的问题及改性方法进行概括,并对以后的发展进行了展望。
引言
当今世界,科学技术的飞速发展给我们带来诸多便利的同时,也不可避免的带来了很多环境问题,其中最严重的就是大气污染如工业生产、汽车尾气、室内装修以及煤矿石油燃烧等排放的大量有毒有害气体(NO、NO2、CO、CO2、甲醛、甲苯和甲烷)。这些气体不仅严重的破坏了生态平衡,带来温室效应及酸雨等问题,更严重危害人类的身体健康。因此,设计开发一些敏感元件用来及时高效地监测空气中的有毒有害气体对人类健康生活显得尤为重要。
在众多气体检测设备中,气体传感器由于其体积小、价格低廉、制备简易、灵敏度高、可以精确有效地检测空气中的有毒有害气体等优点被广泛应用于环境监测、工业生产、健康医疗等领域[1-3]。在气体传感器中,气敏材料的选择、设计对元件气敏性至关重要。目前研究者已经通过大量实验探究了多种气敏材料的气敏性能,在众多气敏材料中,In2O3因其灵敏度高、响应-恢复时间短、成本低廉、制备方法简易等优点脱颖而出,成为最典型的气敏材料。然而,在实际应用中,In2O3纳米材料同样面临着大多数半导体材料所共同面对的两个难题:功耗较高(最佳工作温度一般为300 ℃)、选择性较差。这两个难题严重的限制了气体传感器在日常生活中的应用。实验证明,对In2O3纳米材料进行修饰改性能有效提高气敏性能[4, 5]、降低本征工作温度、提升选择性等。本文着重探讨不同的改性方法对In2O3纳米材料气敏性能的影响,对最近国内外在In2O3纳米材料改性方面的工作进行归纳概括,并对In2O3纳米材料今后的发展趋势进行综述。
结论
In2O3是最典型最具代表性的气敏材料,对In2O3材料的修饰改性以期获得更优越的气敏性能一直是最近的研究热点。本文详述了In2O3气敏传感器最近的发展历程,着重从3个方面归纳了为提高In2O3气敏性能研究者做出的工作:1)改变化学元素成分;2)贵金属表面修饰;3)改变微观结构。这些工作的探究极大的提升了In2O3的气敏性能,同样这些修饰方法也可适用于其他单一半导体气敏材料气敏性能的改善。虽然对In2O3气敏传感器的探究获得了一定成就,但与气敏传感器的发展历程来看,对In2O3材料的修饰改性仍处于起步阶段,需要进行更深入的后续研究[15]。如:1)气敏机理尚不清楚;2)尚需开发新的材料体系;3)传感器的灵敏度仍需要进一步提高;4)进一步加强传感器的选择性。目前解决这些问题还面临着诸多挑战,仍需科研工作者的不懈努力,以期将In2O3基气敏传感器由实验室阶段推向实际应用。
目录
1 In2O3基纳米材料的制备及气敏性能
氧化铟(In2O3)是一个n型半导体,是最具代表性的气敏材料。对In2O3最早研究是在1967年,但在1967~2000年期间搜索有关In2O3气敏传感器的学术文章时,发现研究成果却并不多。对于In2O3的真正研究热潮始于2000年,此时随着人类生活质量的不断改善,对大气污染的重视也逐渐提升,人们渴望得到一种高效灵敏及时的传感器以探测空气中的有毒有害气体[6],归因于优异的气敏性能,In2O3纳米材料的研究在此期间得到飞速发展。此外,随着科技的不断发展,制备方法的多元化,从2000年开始,大量研究者通过不同的制备方法成功合成了形貌各异的In2O3及In2O3基纳米材料,并探究了它们的气敏性能,极大的促进了In2O3气敏传感器的发展。
单一的In2O3纳米材料由于其组分单一,难以满足气敏传感器的应用需求,在气敏性能方面仍有较大的提升空间。实验证明,通过对In2O3纳米材料进行修饰改性(改变化学元素成分、贵金属表面修饰、改变微观结构)能够有效提升In2O3材料的气敏性能[7]。因此,本文着重从以上3个方面归纳了对In2O3纳米材料的修饰改性方法以及在修饰改性方面取得的新突破,对气敏性能的提升做出机理解释,以期对后续的研究工作开展奠定基础,以下是最近国内外对In2O3纳米材料修饰改性取得进展的研究归纳。
1.1 改变化学元素成分
图1 不同制备方法合成的形貌各异的二元复合金属氧化物
Fig.1 The binary metal oxide composites withdifferent morphology through different prepare methods
1.2 贵金属表面修饰
图2 In2O3复合样品形貌与性能
Fig.2 The morphology and performance of In2O3composites
1.3 改变微观结构
图3 In2O3复合纳米材料的扫描电镜图
Fig.3 The SEM of theIn2O3composite nanomaterials
2 展望
引用本文: 严超,杨方源,杨占金,等. In2O3基纳米材料气敏性能研究综述. 化学试剂, 2020, 42(2): 137-141.