三維有序大孔鐵酸鑭氣敏材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于功能材料技術領域，更加具體地說，涉及制備不同孔徑的三維有序大孔鐵酸鑭(LaFeO3)氣敏材料及其制備方法，具體的說是一種利用不同粒徑的PMMA模板調(diào)節(jié)三維有序大孔LaFeO3氣敏材料孔徑的方法。
【背景技術】
[0002]隨著科技的進步，工業(yè)化進程的大發(fā)展，人們的生活水平得到大幅度提高。但這一切為人類的幸福生活帶來極大的方便的同時，卻也致使排放到大氣中的各種污染性氣體日益增多。不可否認，這些污染性氣體不僅對大氣，對環(huán)境造成了極大的危害，也時刻在威脅這我們?nèi)祟惖慕】?，例如臭氧層的破壞，溫室效應的加劇，以及酸雨的頻頻發(fā)生等一系列的問題已經(jīng)不容忽視，它們已經(jīng)嚴重影響到了人類的生存、生產(chǎn)。另一方面，在工業(yè)生產(chǎn)過程中，對于有毒有害，甚至易燃易爆氣體，要進行嚴格的精確調(diào)控，以避免危險的發(fā)生。在很多場合，國家對有毒有害氣體的含量都做出明確限制，例如，在居室空氣中甲醛的最高容許含量為0.08毫克/立方米。因此，對于一些特定氣體的檢測也就成為科研工作者研究的重要課題之一。雖然，氣體傳感器已經(jīng)在實際工業(yè)生產(chǎn)以及家庭生活得到應用，但是隨著人們對生活質(zhì)量和環(huán)境要求的提高，對氣體檢測的精確性，及時性以及穩(wěn)定性等也提出了更高的要求。所以，新型氣敏材料和氣敏傳感器的研究迫在眉睫。
[0003]目前市場上應用最多的氣敏傳感器材料都是以單一金屬氧化物為基的半導體材料，如Sn02、Zn0、W03、Ti02以及In2O3等。但隨著科技的發(fā)展，人們生活要求的提高，這些氧化物純相半導體材料在靈敏度、選擇性、穩(wěn)定性方面以經(jīng)不能滿足人們的需求。近年來，科研工作者們發(fā)現(xiàn)一些具有特定結(jié)構的復合金屬氧化物半導體具有良好的氣敏特性。復合金屬氧化物比單一的金屬氧化物半導體具有更高的靈敏度，更好的選擇性以及穩(wěn)定性，所以，復合金屬氧化物半導體的制備和開發(fā)新型氣敏材料已經(jīng)成為半導體氣敏材料研究的一個重要領域。在眾多的復合金屬氧化物半導體氣敏材料中，鈣鈦礦型的復合金屬氧化物鐵酸鑭(LaFeO3)由于其高的靈敏度，好的選擇性以及強的可逆變化性而備受關注。
[0004]目前應用中的幾乎所有氣敏傳感器都未能很好的滿足上述要求，特別是靈敏度，響應速度以及穩(wěn)定性不能夠同時得到滿足，這在很大程度上限制了氣敏材料的應用?，F(xiàn)在，氧化物半導體基氣敏傳感器研究中，科研工作者致力于開發(fā)新型氣敏材料，以及將材料向納米化發(fā)展，制備出性能更好的新型納米結(jié)構氣敏材料。三維有序大孔(3D0M)材料不僅具有一般大孔材料所擁有的優(yōu)點，而且還具有其自身獨有的特點，如孔結(jié)構排列周期性強、孔徑分布較窄、孔尺寸均勻可調(diào)以及整體結(jié)構三維長程有序等。這使得3D0M材料在催化劑載體、電極材料、傳感器、光子晶體材料、大分子過濾等領域擁有很好的應用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供三維有序大孔鐵酸鑭氣敏材料及其制備方法，制得的材料不僅在結(jié)構上具有三維長程有序行，并且通過調(diào)節(jié)PMMA模板的微球粒徑，實現(xiàn)了孔徑可調(diào)，制備的三維長程有序大孔LaFeO3表現(xiàn)出優(yōu)異的氣敏性能。
[0006]本發(fā)明的技術目的通過下述技術方案予以實現(xiàn):
[0007]三維有序大孔鐵酸鑭氣敏材料及其制備方法，按照下述步驟進行:
[0008]步驟1，將1^003)3*6!120和？6 003)3*9!120固體粉末溶于乙二醇中，再向乙二醇中加入甲醇，形成最終的金屬醇溶液，其中所述金屬鑭和金屬鐵為等摩爾量，優(yōu)選合計為1M，所述乙二醇和甲醇的體積比為2:3 ；
[0009]步驟2，選擇將聚甲基丙烯酸甲酯微球作為模板，浸潰到步驟I制備的金屬醇溶液中，待浸潰后對體系進行抽濾處理，將留存在濾紙上的物質(zhì)在室溫20— 25攝氏度下進行干燥。
[0010]所述聚甲基丙烯酸甲酯微球為單分散的納米級微球，微球粒徑為200nm — 500nm ；優(yōu)選浸潰條件下室溫20— 25攝氏度下浸潰I一6h。
[0011]步驟3，將經(jīng)過步驟2處理的物質(zhì)進行焙燒，自室溫20— 25攝氏度升溫至550—600°C保溫I一6h后自然冷卻至室溫20— 25攝氏度，控制升溫速度I一2°C /min,以保證PMMA微球模板的去除以及LaFeO3的結(jié)晶。
[0012]在上述技術方案中，鐵酸鑭氣敏材料為鈣鈦礦型的LaFe03。
[0013]在上述技術方案中，鐵酸鑭氣敏材料平均孔徑可達180— 260nm，比表面積可達18—25m2/g。
[0014]本發(fā)明的鐵酸鑭氣敏材料在針對甲醇氣相檢測中的應用。
[0015]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是:本方法與其他材料制備方法相比，模板法操作方法更為簡單，可批量生產(chǎn)，且實驗過程綠色無污染，所選用的材料對人體無毒性。一方面，制得的材料不僅在結(jié)構上具有三維長程有序行，并且通過調(diào)節(jié)PMMA模板的微球粒徑，實現(xiàn)了孔徑可調(diào)；另一方面，制備的三維長程有序大孔LaFeO3表現(xiàn)出優(yōu)異的氣敏性能。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明技術方案的過程示意圖。
[0017]圖2是在本發(fā)明技術方案中使用的PMMA微球模板的掃描電鏡照片。
[0018]圖3是本發(fā)明制備的三維長程有序大孔LaFeO3K顯微結(jié)構照片(掃描電鏡照片)。
[0019]圖4是本發(fā)明制備的三維長程有序大孔LaFeO3的XRD物相圖譜。
[0020]圖5是本發(fā)明制備的三維長程有序大孔LaFeO3的氮吸附測試曲線圖。
[0021]圖6是本發(fā)明制備的三維長程有序大孔LaFeO3的不同溫度氣敏響應圖(橫坐標為溫度，攝氏度)。
[0022]圖7是本發(fā)明制備的三維長程有序大孔LaFeO3的不同濃度響應圖。
[0023]圖8是本發(fā)明制備的三維長程有序大孔LaFeO3的針對不同氣體的選擇響應圖。
[0024]圖9是本發(fā)明制備的三維長程有序大孔LaFeO3的電阻變化曲線。
【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合具體實施例進一步說明本發(fā)明的技術方案。
[0026]在本發(fā)明的技術方案，選擇聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球作為模板進行浸潰，以獲得不同孔徑的鐵酸鑭氣敏材料，依據(jù)參考文獻進行PMMA微球的制備，以得到不同粒徑的 PMMA 微球，例如 Three-Dimens1nally Ordered Macroporous (3D0M)Materialsof Spinel-Type Mixed Iron Oxides.Synthesis, Structural Characterizat1n, andFormat1nMechanism ofInverse Opals with a Skeleton Structure, MasahiroSadakane, Chigusa Takahashi, Nobuyasu Kato, IHitoshi Ogihara, YoshinobuNodasaka,Yoshihiro Doi,Yuk1 Hinatsu, ffataru Ueda, bulletin ofthe ChemicalSociety of Japan(Bull.Chen.Soc.Jpn.)，2007，7(7)，2213-2219。
[0027]不同粒徑的PMMA微球的制備:
[0028](I)三維有序PMMA微球模板的制備。具體步驟如下:將500ml的三口燒瓶固定在恒溫水浴磁力攪拌器上，向燒瓶內(nèi)通入氮氣，1ml甲基丙烯酸甲酯單體和88ml的去離子水同時加入至燒瓶中，勻速攪拌15min ;將0.0584g的過硫酸鉀溶于7.5ml的去離子水后,力口入到三口燒瓶中，勻速攪拌并加熱溶液至70°C，繼續(xù)通氮氣5min ;待溶液溫度達到70°C，恒溫反應2h，溶液轉(zhuǎn)變?yōu)榘咨橐?，停止反應，將乳液快速冷卻至室溫；將制得的PMMA微球單分散液倒入燒杯中超聲lOmin，將其保存?zhèn)溆?；對單分散乳液進行3000r/min的離心速度離心5小時，制得粒徑為280nm的PMMA微球模板。
[0029](2)將三口燒瓶固定在恒溫水浴磁力攪拌器上，向燒瓶內(nèi)通入氮氣，14ml甲基丙烯酸甲酯單體和88ml的去離子水同時加入至燒瓶中，勻速攪拌15min ;將0.0584g的過硫酸鉀溶于7.5ml的去離子水后，加入到三口燒瓶中，勻速攪拌并加熱溶液至70°C，繼續(xù)通氮氣5min ;待溶液溫度達到70°C，恒溫反應2h，溶液轉(zhuǎn)變?yōu)榘咨橐?，停止反應，將乳液快速冷卻至室溫；將制得的PMMA微球單分散液倒入燒杯中超聲lOmin，將其保存?zhèn)溆?；對單分散乳液進行3000r/min的離心速度離心5小時，制得粒徑為380nm的PMMA微球模板。
[0030](3)將三口燒瓶固定在恒溫水浴磁力攪拌器上，向燒瓶內(nèi)通入氮氣，18ml甲基丙烯酸甲酯單體和88ml的去離子水同時加入至燒瓶中，勻速攪拌15min ;將0.0584g的過硫酸鉀溶于7.5ml的去離子水后，加入到三口燒瓶中，勻速攪拌并加熱溶液至70°C，繼續(xù)通氮氣5min ;待溶液溫度達到70°C，恒溫反應2h，溶液轉(zhuǎn)變?yōu)榘咨橐海Ｖ狗磻?，將乳液快速冷卻至室溫；將制得的PMMA微球單分散液倒入燒杯中超聲lOmin，將其保存?zhèn)溆茫粚畏稚⑷橐哼M行3000r/min的離心速度離心5小時，制得粒徑為500nm的PMMA微球模板。
[0031]分別以上述