第33卷
2004年
第10期
lO月
稀有金属材料与工程
RAREMETALMATERIALSANDENGINEERrNG
V61.33.No.10
October2004
氧化铟气敏材料的制备与特性
刘秉涛1,姜安玺1,徐甲强2
(1.哈尔滨工业大学,黑龙江哈尔滨150090)
(2.郑州轻工业学院,河南郑卅I450002)
摘 要:用化学沉淀法合成微细的氧化铟气敏粉体,选用几种稀有贵金属掺杂氧化铟粉体,用D/maxrAx射线衍射仪
测定粉体相结构,用RQ一2型气敏特性测试仪测试氧化铟气敏元件的气敏特性,绘制了掺杂后氧化铟粉体对几种气体的
灵敏度.温度曲线。结果表明,氧化铟气敏材料电阻值适中,响应恢复快,气体灵敏度高,可对多种气体实行专一检测
或同时检测。
关键词:氧化铟:气敏材料;制备;特性
中图法分类号:TN304 文献标识码:A 文章编号:l002.185x(2004)10.1093.03
1 前 言
氧化铟的晶胞中包含16个In203分子,是1种n
型半导体材料,具有方铁锰型晶体结构,26℃测得晶
体常数仅=1.0118nm,格子中的四面体间隙位置有3/4
为氧离子占据,1/4空着,直接带隙的测量值是3.75eV,
主要缺陷有氧空位和间隙铟离子⋯,氧化铟用作气敏
添加剂及低浓度氧化性气体和的检测已有一些报道,
但是以氧化铟为基体的气敏粉体材料用作汽油、乙醇、
氨气、丁烷的研究不多【2,3],本实验研究氧化铟气敏粉
体的制备,用共沉淀法制备了Ru,Rh,Au,Ag,Pd
掺杂的氧化铟粉体,考察贵金属掺杂后对以氧化铟为
基体的气敏粉体的影响,用静态配气法测试氧化铟旁
热式气敏元件的气敏特性,结果表明,氧化铟气敏材
料阻值适中,响应恢复快,气体灵敏度高,可对多种
可燃气体、毒害气体实行专一检测或同时检测。
2 实验方法
2.1试剂及仪器
纯铟粉,HAuCl4,AgN03,PdCl2,RuCl3,RhCl3,
正丁醇及氨水(为分析纯试剂)。
用D/MaxrA转靶X射线衍射仪(日本理学公司),
测定粉体相结构,用RO.2型气敏特性测试仪测定气
敏特性。
2.2氧化铟为基体的气敏粉体的制备和结构
氧化铟气敏粉体的制备:将纯铟粉与盐酸反应制
成铟盐溶液,再加适量氨水,不断搅拌,控制DH在
10时,得到氢氧化铟胶体,沉淀完全后,用蒸馏水不
断洗涤,然后将胶体在强力搅拌下与正丁醇混合,进
行共沸蒸馏,将沉淀在100℃干燥24h,750℃煅烧而
成。结构表征用X射线衍射仪。
取筛分后的氧化铟粉体,用水调成糊状,按一定
比例进入HAuCl4,AgN03,PdCl2,RuCl3,RhCl3,
及少许纯浓氨水,搅拌,至pH=11~12,沉淀物经研磨,
干燥,750℃煅烧得到贵金属掺杂氧化铟粉体。
2.3氧化铟为基体的气敏元件的制备和-眭能
实验中采用烧结法制作旁热式气敏元件,将气敏
材料均匀涂在陶瓷管上,750℃下进行热处理,240℃
条件下老化48h。用静态配气法测试氧化铟旁热式气
敏元件的气敏特性,按恒流法分别测定元件在空气中
的电阻尺。,检测气氛中的电阻尺。,用R以。表示气敏
元件的灵敏度卢,用以侈B表示气体A对气体B的选
择性系数七。汽油、乙醇的气体浓度为0.01%(体积分
数,下同),氨气、丁烷的气体浓度为O.1%。
3结果与讨论
3.1 氧化铟气敏材料的结构表征
氧化铟气敏粉体经750℃处理后,用X射线衍射
仪及透射电子显微镜对氧化铟气敏材料进行结构表
征,实验结果表明,材料为多晶态方铁锰型氧化铟材
料,氧化铟气敏粉体尺寸属超微粒,呈四方片或长条
状小颗粒。
收稿日期:2004—02.16
作者简介:刘秉涛,1964年生,男,博士研究生,副教授,哈尔滨工业大学市政环境工程学院,黑龙江哈尔滨150090,电话.0451.86282358,
E蚰ail:liubt200l@sohu.com
万方数据
稀有金属材料与工程 33卷
3.2氧化铟气敏材料的阻温特性和气敏特-性 曲线。
图1是氧化铟气敏材料的电阻.温度曲线。可见氧
化铟的电阻.温度曲线与氧化锡、氧化锌及氧化铁等表
面控制型气敏材料的电阻.温度曲线一致,显示出氧化
铟表面控制型气敏材料型的特征。从材料的阻值看,氧
化铟材料的工作状态下的电阻一般是10kQ~30kQ,
与氧化锡相近,属于低电阻材料,与一般元件配合性能
好。氧化铟材料的阻值随工作温度的变化规律可用半导
体电阻的温度控制和氧的吸附解离控制来解释【4'5J。Pd,
Ru贵金属掺杂后,电阻极大温度的下降,可认为是贵
金属对吸附氧的化学解离起到了催化作用,有助于提高
氧化铟的气体灵敏度,降低氧化铟的气敏活性温度。
c;
鼍
《
O
Temperature/℃
图l 氧化铟气敏材料的阻.温曲线
Fig.1月一7’curveofIn203gassensingmaterials
图2是未掺杂的氧化铟气敏材料的灵敏度.温度
Temperature/℃
图2 未掺杂氧化铟气敏元件的灵敏度一温度曲线
Fig.2GassensitiV时ofpureIn203gassensor
未掺杂的氧化铟气敏材料在200℃以下几乎没
有气敏性;在200℃以上,氧化铟对汽油、乙醇、氨
气、丁烷的气体灵敏度随工作温度的升高而逐渐增
大,并在315℃左右出现极大值。但总的来说,纯氧
化铟对汽油、乙醇、氨气、丁烷的气体的灵敏度口
较好,而对氢气、一氧化碳等小分子的灵敏度较低,
且随温度变化不大。根据图1、图2,氧化铟的工作
温度宜选择在300℃~360℃,此时,元件的阻值适中,
响应恢复快,气体灵敏度高,而且温飘影响较小。
3.3贵金属掺杂后对氧化铟气敏特性的影响
贵金属掺杂的氧化铟气敏元件对不同气体的灵敏
度随温度的变化曲线见图3。
1bmperature/℃ Temperature/℃
Tbmperature/℃Tbmperature/℃Temperature/℃
图3 掺杂后氧化铟气敏元件对不同物质的灵敏度.温度曲线
Fig.3E仃ectofdopingnobIemetalcatalystongassensitivityofIn203.basedgassensors
万方数据
lO期 刘秉涛等:氧化铟气敏材料的制备与特性 ·1095·
由图可知,贵金属掺杂后,由于可形成一定组成
的固溶体,掺杂剂中的阳离子代替晶格上的铟离子,
价态不同就相当于产生了空穴和电子,使材料的电导
改变,又由于贵金属对元件表面氧的催化热解作用,
促进吸附氧流到材料表面活性位置上放出电子,使元
件电导增大,从而使氧化铟气敏材料的工作温度下降,
气体的灵敏度提高,同时,由于不同的贵金属的催化
活性及同一催化剂对不同气体的催化活性不同,使氧
化铟的气敏材料的气体选择性有所改善,纯氧化铟气
敏最大温度在300℃以上,而金属掺杂的氧化铟气敏
材料的气敏最大值都在250℃以下。由图3a知,金、
银、钌、铑掺杂的氧化铟气敏材料在特定温度下对汽
油有较高的气体灵敏度,可用于汽油的检测,其中钌、
钯掺杂的氧化铟的汽油/丁烷选择性系数在5倍以上,
钯掺杂的氧化铟在190℃的汽油/乙醇选择性系数也在
3倍。由图3b,3c知道,金、钌、铑掺杂的氧化铟气
敏材料对乙醇有较高的灵敏度,钌、银掺杂的氧化铟
提高了氨气的气敏性,可分别用于乙醇、氨气的检测。
而从图3e可知,银掺杂的氧化铟在低温对氢气有较好
的选择性。
4结论
氧化铟气敏材料具有阻值适中,响应恢复快,气
体灵敏度高的优点,贵金属掺杂后,由于促进了吸附
氧的低温化学解离,使氧化铟气敏材料的工作温度下
降,气体的灵敏度和选择性提高,通过选择合适掺杂
金属和工作温度,可分别实现氨气、汽油、乙醇的选
择性检测及可燃气体的普敏检测,氧化铟的气敏机理
属表面电导气敏控制型。
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PreparationandCharacterofIn203GasSensingMaterials
LiuBingtao1,JiangAnxi1,XuJiaqian92
(1.HarbinInstituteofTbchnology'Harbinl50090,China)
(2.ZhengzhouInstituteofLightIndust阱Zhengzhou450002,China)
Abstract:PureIndiumoxidepowderwassynthesizedbychemicalprecipitation.In203basedgassensingmaterialsdopedwimnoblemetal
catalystweremadebyimpregnation.ThephasecompositionofpowderswasdeterminedwithXRD.Thegassensitivityofmese
side—heatedgassensorsweretestedinstaticstatebyusingRQ一2gassensitiVebehaViouranalyzerandplotedt量lecurvesofgassensltivity
againsttemperaturefbrseVeralkindsofgas.TheresultsshowedthatIn203basedgassensorscanbeusedtodetectgasselectivelyor
generallybecauseofitshighgassensitiVity,properresistance8ndquickresponseandrecoveⅨ
Keywords:indiumoxide;gassensingmaterials;synthesis
Biography:LiuBingtao,CandidateforPh.D.,SchoolofMunicipalandEnVironmentalEngineefing,HarbinInstituteofTbchnology,
Harbinl50090,P.R.china,T色l:0086·45l-86282358,E-mail:liubt2001@sohu.com
万方数据
氧化铟气敏材料的制备与特性
作者: 刘秉涛, 姜安玺, 徐甲强
作者单位: 刘秉涛,姜安玺(哈尔滨工业大学,黑龙江,哈尔滨,150090), 徐甲强(郑州轻工业学院,河南
,郑州,450002)
刊名: 稀有金属材料与工程
英文刊名: RARE METAL MATERIALS AND ENGINEERING
年,卷(期): 2004,33(10)
被引用次数: 11次
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