三氧化钨纳米块结构传感器元件

氮氧化物(NOx)是一种导致酸雨和光化学烟雾等环境问题并对人类构成巨大威胁的有毒有害气体。研究用于氮氧化物的准确检测和监控的高性能的气敏材料与器件对人类健康是至关重要的。

氧化钨是一种宽禁带的N型半导体材料，它在气敏传感器领域有着广泛的应用。 作为一种高性能的气敏材料，氧化钨可广泛应用于各种有毒有害气体如NOX、SO2、NH3等检测。但是，WO₃气敏材料工作温度高(250℃左右)的缺点给传感系统集成化带来了复杂性和不稳定性。因此，如何能进一步提高气敏传感器的灵敏度并有效的降低工作温度，也就成为氧化钨气敏应用领域的重点。

为了提升氧化钨的气敏性能，有学者基于三氧化钨纳米块的原理，采用溶剂热法设计出一种可用于检测氮氧化物传感器元件的制备方案，这种三氧化钨纳米块结构传感器元件的制备步骤如下：

(1)陶瓷片基底的清洗

采用陶瓷片作为基底，将陶瓷片基底依次放入丙酮溶剂、无水乙醇中超声振荡15-20 min，除去表面有机物杂质。随后将陶瓷片基底放入去离子水中清洗，冲洗完成后放入无水乙醇中，并置于红外烘箱中烘干。

(2)制备Pt的叉指电极

将陶瓷片基底置于DPS-Ⅲ型高真空对靶磁控溅射设备的真空室中，采用质量纯度99.99％ 的金属铂作为靶材，以质量纯度99.999％的氩气作为工作气体，溅射工作压强为2.0Pa，溅射功率80-90W，溅射时间8-10min，基底温度为室温，在氧化铝基底表面形成叉指铂电极。

(3)制备反应溶液

首先配置0.025M-0.1M的六氯化钨溶液，将六氯化钨溶于65ml去离子水中，磁力搅拌至全部溶解，形成白色的六氯化钨溶液。

(4)制备气敏传感器

将步骤(2)中镀有铂电极的氧化铝基底置于内衬为聚四氟乙烯的不锈钢水热反应釜中，同时将步骤(3)制备的六氯化钨溶液也转移到反应釜中，密封，然后将反应釜置于恒温干燥箱中，在反应温度200℃下在氧化铝基底表面合成氧化钨纳米块结构，反应时间为6-9h，反应完毕后，将反应釜自然冷却到室温；

(5)清洗反应后氧化铝基底

将步骤(4)中溶剂热反应后的氧化铝基底，反复经去离子水和无水乙醇浸泡清洗，然后在 60-80℃的真空干燥箱中干燥8-10h；

(6)气敏传感器元件的热处理

将步骤(5)所制备的氧化钨纳米块结构气敏传感器元件置于马弗炉中进行热处理，热处理 温度为300-400℃，保温时间为2h，升温速率为2-5℃/min，用以增加氧化钨纳米块的结晶性。

所制备的三氧化钨纳米块结构传感器元件具有巨大的比表面积和较大的表面活性，并将该纳米块结构应用于氮氧化物气敏传感器，结果表明：该三氧化钨纳米块气敏材料能在低温(～100℃)条件下有效检测氮氧化物，对氮氧化物气体极低浓度探测(可达0.1ppm)，并具有很高的气敏性、优良的重复性和很好的稳定性。

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