一種WO₃納米晶的制備方法

專利名稱：一種WO₃納米晶的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種WO3納米晶材料的制備方法，所制備的WO3納米晶材料可應(yīng)用于低 濃度丙酮的探測器件，特別是能夠應(yīng)用于對(duì)糖尿病人通過呼吸方式的診斷器件。
背景技術(shù)：
丙酮，也稱作二甲基酮，飽和脂肪酮系列中最簡單的酮。熔點(diǎn)-95度，沸點(diǎn)56度， 它是一種無色、有特殊氣味的、易揮發(fā)易燃的液體。丙酮蒸汽與空氣混合可形成爆炸性混 合物，爆炸極限2. 55% 12. 8% (體積)。雖然丙酮對(duì)人體沒有特殊的毒性，但是吸入后 可引起頭痛，支氣管炎等癥狀，如果大量吸入，還可能失去意識(shí)。丙酮作為最普遍的有機(jī)溶 劑之一，被廣泛應(yīng)用于日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中，因此對(duì)丙酮的使用中要注意安全防范，而對(duì) 使用環(huán)境中丙酮的監(jiān)測是一個(gè)重要的工作。近幾年，廣泛的研究已經(jīng)證實(shí)丙酮?dú)怏w可以作 為糖尿病人的診斷指標(biāo)，因?yàn)樘悄虿∪说纳眢w不能正常從葡萄糖獲得能量，就開始分解脂 肪，而丙酮就是脂肪分解的酮酸類副產(chǎn)物。研究發(fā)現(xiàn)正常人所呼出的氣體中丙酮含量小于 0. 9ppm，而對(duì)于糖尿病人的呼氣中它將高于1. 8ppm,因此通過呼吸方法可以對(duì)該病進(jìn)行無 痛診斷。但是對(duì)于如此低濃度丙酮?dú)怏w的高靈敏度的準(zhǔn)確探測是一個(gè)難題。WO3是一中η型間接帶隙半導(dǎo)體材料，研究發(fā)現(xiàn)它可以作為致色材料，催化材料和 氣敏材料等。已有大量的研究報(bào)道了 WO3是一種對(duì)乙醇、硫化氫、氨氣、二氧化氮、氫氣等多 種氣體具有很好的探測性能。而很少有報(bào)道WO3對(duì)低濃度丙酮的探測，特別是0. 9-1. Sppm 的低濃度丙酮條件。2008年，瑞士科學(xué)家P. I. Gouma等人在Chem. Mater雜志上首次報(bào)道了 通過火焰噴霧法制備了摻Cr的WO3納米顆粒，所制備的薄膜型半導(dǎo)體器件發(fā)現(xiàn)其對(duì)低濃度 的丙酮有很好的探測性能。但是火焰噴霧法即需要復(fù)雜的、昂貴的噴霧和火焰控制設(shè)備，又 很難進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)。因此，探索其它新的方法合成具有相同性能的WO3納米材料是一 個(gè)仍需解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
基于上述研究背景，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠探測超低濃度丙酮?dú)怏w的 WO3納米晶的合成方法，特別是為采用呼吸方法診斷糖尿病提供一種新材料。這種方法成本 低廉、無毒、操作簡單安全，且能夠批量化生產(chǎn)。本發(fā)明的主要技術(shù)方案是首先利用過氧化鎢酸技術(shù)制備多聚過氧化鎢酸溶液， 添加非離子表面活性劑，通過回流等方法，制備WO3基復(fù)合溶膠，最后將復(fù)合溶膠直接高溫 煅燒，制備穩(wěn)定的WO3納米顆粒材料。其具體的步驟如下(1)多聚過氧化鎢酸前軀體的制備將鎢粉或WO3粉末與30%過氧化氫溶液以[W] [H2O2] = 1 5 1 10的摩 爾比進(jìn)行反應(yīng)制備多聚過氧化鎢酸溶液；(2)添加表面活性劑的多聚過氧化鎢酸復(fù)合溶膠的制備將聚氧乙烯-聚氧丙烯共聚物類的非離子表面活性劑Ρ123、F127或PVP等溶解到無水乙醇中，使其與步驟1所制備的多聚過氧化鎢酸溶液按照[W6+][表面活性劑]= 30 1 10 1摩爾比進(jìn)行混合，并通過攪拌和80 100°C回流作用1 3小時(shí)，最后制 得WO3基復(fù)合溶膠；(3) WO3納米晶的制備將復(fù)合后的多聚過氧化鎢酸溶膠倒入Al2O3坩堝中，放入馬弗爐中經(jīng)450_600°C的 退火煅燒處理2-8小時(shí)，完全燒去有機(jī)物，最后制得WO3納米顆粒；通過研究發(fā)現(xiàn)，所制備的恥3納米晶具有很高的晶化質(zhì)量和很好的分散性。將上述 方法所制備的WO3納米晶作為敏感材料，研究發(fā)現(xiàn)其對(duì)低濃度的丙酮?dú)怏w有非常好的探測 性能。主要表現(xiàn)為，該WO3納米晶材料能夠探測達(dá)到0. 05ppm低濃度的丙酮?dú)怏w，而且具有 快速的氣敏響應(yīng)性能和恢復(fù)性能，以及很好循環(huán)穩(wěn)定性能；通過計(jì)算證實(shí)，在0. 05-2ppm之 間丙酮?dú)怏w的濃度和材料對(duì)其的敏感度值之間呈現(xiàn)近線性關(guān)系，對(duì)0. 9ppm和1. Sppm丙酮 的敏感度之間有近40%的差值變化，因此可以通過基于該法所制備的WO3納米晶氣體傳感 器診斷區(qū)別糖尿病人和正常人。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:WO3納米顆粒的制備方法簡單安全、易操作，成本低、無毒，能夠 批量化工業(yè)生產(chǎn)。


圖1為實(shí)施例IWO3納米晶的的低倍掃描電鏡圖譜。圖2為實(shí)施例1中WO3納米晶傳感器對(duì)0. 05 2ppm丙酮的氣敏響應(yīng)和恢復(fù)性能。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 (1)多聚過氧化鎢酸前軀體的制備以5. 4g鎢粉與40ml 30%過氧化氫溶液反應(yīng) 制備多聚過氧化鎢酸溶液；(2)添加表面活性劑的多聚過氧化鎢酸復(fù)合溶膠的制備并稱取3g的P123(平均 分子量為5800)溶解于無水乙醇中，添加到(1)中所制備的含W6+O. Olmol多聚過氧化鎢酸 溶液中，并通過80°C回流2小時(shí)，使其充分復(fù)合，最后得到略帶粘稠狀的深藍(lán)色復(fù)合溶膠；(3)WO3納米晶的制備將(2)所制備的復(fù)合溶膠倒入Al2O3坩堝中，在馬弗爐中經(jīng) 4500C的退火煅燒處理，完全燒去有機(jī)物，最后制得淺黃綠色WO3納米顆粒。實(shí)施例2 (1)多聚過氧化鎢酸前軀體的制備以7g WO3粉末與50ml 30%過氧化氫溶液反 應(yīng)制備多聚過氧化鎢酸溶液；(2)添加表面活性劑的多聚過氧化鎢酸復(fù)合溶膠的制備并稱取5g的PVP (平均 分子量為10000)溶解于無水乙醇中，添加到(1)中所制備的含W6+O. Olmol多聚過氧化鎢酸 溶液中，并通過100°C回流一個(gè)小時(shí)，最后得到略帶粘稠狀的深藍(lán)色復(fù)合溶膠；(3)WO3納米晶的制備將(2)所制備的復(fù)合溶膠倒入Al2O3坩堝中，在馬弗爐中經(jīng) 6000C的退火煅燒處理，完全燒去有機(jī)物，最后制得淺黃綠色WO3納米顆粒。實(shí)施例3 (1)多聚過氧化鎢酸前軀體的制備以6g WO3粉末與43ml 30%過氧化氫溶液反應(yīng)制備多聚過氧化鎢酸溶液；(2)添加表面活性劑的多聚過氧化鎢酸復(fù)合溶膠的制備并稱取4.5g的F127(平 均分子量為12600)溶解于無水乙醇中，添加到(1)中所制備的含W6+O. OOSmol多聚過氧化 鎢酸溶液中，并通過90°C回流一個(gè)半小時(shí)，最后得到略帶粘稠狀的深藍(lán)色復(fù)合溶膠；(3)WO3納米晶的制備將(2)所制備的復(fù)合溶膠倒入Al2O3坩堝中，在馬弗爐中經(jīng) 5000C的退火煅燒處理，完全燒去有機(jī)物，最后制得淺黃綠色WO3納米顆粒。
權(quán)利要求
1.一種WO3納米晶的制備方法，其特征在于制備方法如下1)將鎢粉與30%過氧化氫溶液以[W] [H2O2] = 1 5 1 10的摩爾比進(jìn)行反應(yīng) 制備多聚過氧化鎢酸溶液；2)將聚氧乙烯-聚氧丙烯共聚物類的非離子表面活性劑，如P123、F127或PVP等， 溶解到無水乙醇中，使其與所制備的多聚過氧化鎢酸溶液按照[W6+][表面活性劑]= 2 1 1 1摩爾比進(jìn)行混合，形成新的復(fù)合溶膠，并在80-100°C回流作用1 3個(gè)小時(shí)， 最后制得WO3基復(fù)合溶膠；3)將復(fù)合后的多聚過氧化鎢酸溶膠倒入Al2O3坩堝，放入馬弗爐中經(jīng)450-600°C的直接 退火煅燒處理2-8小時(shí)，完全燒去有機(jī)物，最后制得WO3納米顆粒。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種WO3納米晶的制備方法，其特征在于步驟1中所述的鎢 粉可以用WO3粉末代替。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種WO3納米晶的制備方法。本發(fā)明首先采用過氧化法制備了多聚過氧化鎢酸溶液，添加非離子表面活性劑，通過回流使前軀體充分作用，最后對(duì)所制備的溶膠進(jìn)行直接地高溫煅燒，獲得高質(zhì)量的WO3納米晶材料。該發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于制備方法簡單、成本低廉，制備的WO3納米晶晶化質(zhì)量高、分散性好，并可批量化工業(yè)生產(chǎn)等。該發(fā)明所制備的WO3納米晶材料是一種對(duì)低濃度丙酮具有很高探測性能的氣敏材料，可開發(fā)為針對(duì)丙酮的探測器材料，特別是應(yīng)用于通過呼吸方式對(duì)糖尿病人的診斷器件。
文檔編號(hào)C01G41/02GK102050493SQ20111000882
公開日2011年5月11日 申請(qǐng)日期2011年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月14日
發(fā)明者史繼超, 吳杰, 孫艷, 戴寧, 胡古今, 陳鑫 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所