In2O3纳米纤维

关键词： 材料科学 阿兰 纤维

In2O3纳米纤维（精选三篇）

In2O3纳米纤维 篇1

自从1992年Mobil公司的Kresge C T等报道合成了MCM-41系列的氧化硅有序介孔材料以来, 介孔材料的合成与性能研究就受到了人们的广泛关注[7]。1998年Zhao D Y等采用不同EO∶PO比的三嵌段共聚物为模板, 成功地合成出了不同孔径的六方有序SBA-15系列介孔材料[8], 掀起了介孔材料合成的新高潮。1998年Yang P D等以三嵌段共聚物P123为模板、金属氯化物为前驱体, 采用溶胶-凝胶法成功合成出ZrO2、TiO2以及SnO2等一系列金属氧化物介孔材料[9]。但Yang P D指出该方法不适宜于制备In2O3介孔材料, 只能得到一种含EO20PO70EO20的In的复合物。该复合物虽然为介观相, 但却不是热稳定体系[10]。

目前关于In2O3介孔或多孔材料的报道不多, 比较成熟的是Gao L等报道的采用溶剂热退火路径合成的单晶氧化铟纳米孔[11]。鉴于In2O3介孔或纳米孔材料的气敏性能目前还不为人所知, 因此本实验拟采用已报道的溶剂热退火路径, 合成出形貌均一的In2O3纳米孔材料, 并对其气敏性能进行系统的研究。研究发现, In2O3纳米孔材料灵敏度高、选择性好、工作温度低, 尤其是对甲醛具有优异的气敏性能, 具有良好的基础研究和应用前景。

1 实验

1.1 In2O3纳米孔材料的制备及表征

In2O3纳米孔材料的制备方法类似于文献[11]即将1.1458g的In (NO3) 3·4.5H2O和2mL的DMF (二甲基甲酰胺, A.R) 溶于30mL的EGME (乙二醇甲醚, A.R) 中, 磁力搅拌1h。将上述透明溶液转移至洁净的55mL水热釜中, 密封并于200℃加热1h。将生成的沉淀用去离子水和乙醇洗涤干净, 60℃真空干燥。最后将前驱体在马弗炉中于400℃常压煅烧2h, 即可得到In2O3纳米孔材料。

采用D/max 2550 V X射线衍射仪 (Cu Kα, λ=0.15406 nm) 对样品的物相进行表征。采用JEM-200CX透射电镜 (加速电压为160kV) 对样品的形貌进行观察。

1.2 气敏元件的制备与气敏性能测试

气敏元件按传统方法制成旁热式烧结型元件。制作步骤为:在玛瑙研钵中加入少许In2O3纳米孔材料, 研磨均匀后滴入少量黏合剂, 调成糊状后均匀涂到带Pt引线的陶瓷管外面 (气敏元件结构见图1) , 将涂好的陶瓷管置于红外灯下烘干, 于马弗炉中500℃煅烧1h。待冷却后将陶瓷管焊接于特制的底座上, 制成气敏元件, 随后将其置于专用的老化台上通5V直流电压, 老化240h。在HW-30A气敏元件测试系统上采用静态配气法进行气敏性能测试。元件的灵敏度S定义为元件在洁净空气中的电阻Ra与在测试气氛中的电阻Rg之比, 即S=Ra/Rg。

2 结果和讨论

2.1 In2O3纳米孔材料的表征

2.1.1 XRD分析

图2为In2O3纳米孔材料样品的X射线衍射图谱。由图2可知, 该样品的衍射峰均可指标化为六方相 (空间群R3c (167) ) 的In2O3 (JCPDS卡:22-0336) , 没有出现明显的杂质峰, 表明制备出的产品为六方相In2O3。

2.1.2 TEM分析

图3为In2O3纳米孔材料样品的TEM图谱。由图3可知, 该样品为明显的多孔材料, 其孔的形状复杂, 孔径不均一 (孔径范围为5～17nm) , 且孔道相互连通, 为典型的无序纳米孔材料。

2.2 In2O3纳米孔材料的气敏性能研究

用静态配气法测试了元件在5V (约330℃) 对H2S、NH3、H2、C2H5OH、HCHO、CH4以及i-C4H10 7种气体 (体积分数皆为50×10-6) 的气敏性能, 测试结果如图4所示。

图4表明, In2O3纳米孔材料对这7种气体皆有一定的气敏性能, 尤其是对HCHO有较高的灵敏度 (在该测试条件下, 灵敏度为18.6) 。

为了优化元件的最佳工作温度, 改变元件不同的工作电压, 测试元件对HCHO的响应情况。图5为元件在不同工作电压下对10×10-6 HCHO的灵敏度。根据文献[1]可知, 图5为典型的具有火山形的气体响应与温度之间的关系。由图5可知, 元件在4.0V时 (约240℃) 对HCHO的灵敏度最高, 达到7.4, 由此可以确定4.0V为HCHO敏感元件的最佳工作电压。

图6为在4.0V工作电压下元件对不同体积分数HCHO的灵敏度。由图6可知, 在测试范围内, 元件对不同体积分数的HCHO都有较高的灵敏度, 当HCHO体积分数为50×10-6时, 其灵敏度高达23.6, 即使HCHO体积分数低至3×10-6时, 其灵敏度仍可达3.3, 有较强的实用意义。进一步的研究发现, HCHO体积分数与灵敏度之间满足一阶指数增长的关系:y=-32.49×exp (-x/39.77) +33.15。如分别对HCHO体积分数与灵敏度取对数并对其进行拟合[1]则可以发现, HCHO体积分数的对数 (logC) 和灵敏度的对数 (logS) 之间具有良好的线性关系, 其线性相关系数超过0.998。

响应-恢复情况是判断气敏元件性能优劣的另一个重要指标。通常, 气敏元件的响应时间定义为从气敏元件与一定浓度的被测气体接触时开始, 直到气敏元件阻值达到此浓度下稳态阻值的90%为止所需的时间; 恢复时间定义为气敏元件脱离被测气体后, 气敏元件阻值恢复到稳定阻值的90%时所需的时间[4]。基于上述定义, 用HW-30A气敏元件测试系统测试了In2O3纳米孔材料对HCHO的响应-恢复特性。图7为元件在4.0V工作电压下对10×10-6HCHO的响应-恢复曲线。由图7可知, 元件对10×10-6HCHO的响应-恢复皆很快, 响应时间为5s, 恢复时间为21s。

3 结论

采用溶剂热退火路径成功地合成出孔径小于17nm的无序In2O3纳米孔材料, 并对其气敏性能进行了详细研究。研究结果表明, 采用溶剂热退火路径合成出的In2O3纳米孔材料对甲醛具有优良的敏感性能, 其特点是灵敏度高、选择性好以及工作温度低等, 有望开发成为一种新型的甲醛敏感元件。

摘要：以In (NO3) 3.4.5H2O为主要原料, 采用溶剂热法成功地制备出In2O3纳米孔材料。采用X射线粉末衍射、透射电子显微镜等对样品的物相和形貌进行了表征和分析, 并系统研究了其气敏性能。结果表明, 成功合成的六方相In2O3纳米孔材料, 其孔径小于17nm, 孔道形状复杂且相互连通, 以该材料制成的气敏元件对甲醛有很好的气敏性能, 对50×10-6甲醛的灵敏度高达23.6。

关键词：氧化铟,纳米孔,甲醛,气敏性能,气体传感器

参考文献

[1] Yamazoe N, Sakai G, Shimanoe K. Oxide semiconductor gas sensors[J].Cata Surv Asia, 2003, (1) :63

[2] Yamazoe N. Toward innovations of gas sensor technology[J]. Sens Actuators B, 2005, 108:2

[3]Huang X J, Choi Y K.Chemical sensors based on nano-structured materials[J].Sens Actuators B, 2007, 122:659

[4] Franke M E, Koplin T J, Simon U. Metal and metal oxide nanoparticles in chemiresistors[J].Small, 2006, 2 (1) :36

[5] Shimizu Y, Hyodo T, Egashira M. Plasma decomposition and reduction in supported metal catalyst preparation[J].Cata Surv Asia, 2004, 8 (2) :127

[6] Hyodo T, Mitsuyasu Y, Egashira M, et al. Mesoporous semiconducting oxides for gas sensor application[J]. Ceram Soc Jpn, 2004, 112 (5) :S540

[7]Kresge C T, Leonowicz ME, Roth WJ, et al.Ordered me-soporous molecular sieves synthesized by a liquid-crystal template mechanism[J].Nature, 1992, 359:710

[8]Zhao D Y, Feng J L, Stucky G D, et al.Triblock copolymer syntheses of mesoporous silica with periodic50to300ang-strompores[J].Science, 1998, 279:548

[9] Yang P D, Zhao D Y, Stucky G D, et al. syntheses of large-pore mesoporous metal oxides with semicrystalline frameworks[J].Nature, 1998, 396:152

[10]Yang P D, Zhao D Y, Stucky G D, et al.Biomimetic syn-thesis of ordered silica structures mediated by block co-polypeptides[J].Chem Mater, 1999, 11:2813

In2O3纳米纤维 篇2

①英国剑桥大学材料科学教授阿兰?魏德尔与美国陆军士兵研究开发中心的研究人员共同研制出一种新型碳纳米管纤维。该碳纳米管纤维上最脆弱的地方也需要1吉帕斯卡的应力才能折断，强度足以与钢铁相媲美。

②碳纳米管是一种棉线状的碳分子，带有仅一个原子厚度的壁。虽然它们具有非常强的导电性能，但可靠性难以保证。为了制作这种超强纤维，魏德尔在热炉中将碳汽化，然后吹出一股碳纳米管流。当这些碳纳米管在空中被捕获并围绕一个轴旋转时，就会形成一根由数十亿个分子组成的纤维，而这些分子沿着碳纳米管紧密排列在一起。

③研究人员认为，强度的改善主要取决于缠绕速度，以便将碳纳米管更好地排列成线以及更紧密地包裹起来。研究人员通过调节炉温和调整缠绕速度优化制作工艺，制作出的纤维强度较其他小组制作的要高出0.3倍。为了使制作的纤维密度更大，他们还在制作工艺中增加了一个步骤，让纤维通过丙酮气体。丙酮气体可在纤维上凝结成一层液体，由于表面张力效应将纳米管拉在一起，从而增强纤维强度。

④新碳纳米纤维一般要在施以大约6吉帕斯卡的应力时才发生断裂，强度要高于制造防弹背心的常用材料芳纶，而且可与两种最高强度的商业材料——基纶和迪尼玛相抗衡。目前，研究人员已制作出一根单独的超强碳纳米管纤维，可承受9吉帕斯卡的应力，表现出具有无与伦比的超强性能，而用别的方法制作的碳纳米管纤维最多可承受3吉帕斯卡的应力。

⑤魏德尔目前能制作出的最好纤维长度仅为1毫米，这主要是因为纤维越长，包含的细微碳颗粒和其他缺陷就越有可能削弱它的强度。即便调节制作工艺，如调整缠绕速度和利用丙酮方法，都不能改变这些碳素颗粒，因此必须回到化学合成的方法来解决这类问题。研究人员称，这种纤维最具前景的应用也许是制作防弹衣和开采油气钻头。

小题1:用自己的语言概括新型碳纳米管纤维的制作工艺。（3分）

小题2:第④段运用了哪些说明方法？有何作用？（2分）

小题3:第⑤段中划线的“目前”能否删去？为什么？（2分）

参考答案：

小题1:①调节炉温，使碳在热炉中汽化，吹出碳纳米管流。（1分）②调整缠绕速度，将碳纳米管排列成线并紧密地包裹起来。（1分）③纤维通过丙酮气体时，丙酮在纤维上凝结成液体，通过表面张力将纳米管拉在一起。（1分）

小题2:作比较、列数字（1分）。具体准确地说明新型纳米纤维强度之高。（1分）

小题3：不能。“目前”限制了时间，不排除今后能制作出更好的纤维长度，如果去掉就排除了这种可能性，所以不能去掉。“有可能”体现了说明文语言的准确性。

小题1:试题分析：根据第3段中“通过调节炉温和调整缠绕速度优化制作工艺”“让纤维通过丙酮气体，丙酮气体可在纤维上凝结成一层液体，由于表面张力效应将纳米管拉在一起，从而增强纤维强度”这部分的内容来概括新型碳纳米管纤维的制作工艺。

小题:2:试题分析：通过“新碳纳米纤维的强度”与“制造防弹背心的常用材料芳纶的强度”进行对比，“大约6吉帕斯卡”“承受9吉帕斯卡的应力”“最多可承受3吉帕斯卡的应力”一系列的数据，通过这两者之间的比较以及一系列的数据具体准确的说明了说明对象的特征。

“全能纤维”碳纳米管 篇3

能上《新闻联播》的，肯定是国内外大事！看来这位李教授的研究很了不起，可到底“了不起”在什么地方呢？碳纳米管又是神马东东？哈哈，儿童相见不相识，千万别说你不认识它，它经常会在你的化学考卷里露一脸。

一个球和一个管的故事

碳纳米管，顾名思义，由碳原子组成，它的大小是纳米——也就是10-9米数量级，形状呈管状。区区四个字的名字，涵盖了三个性质，这的确是一个好名字。不过，你知道吗？碳纳米管还有一个名字叫巴基管，这个名字听上去可就土多了，它来源于一个人的名字，这个人叫做巴基·富勒。

巴基·富勒是一个建筑师，以设计未来时代的城市著称。他的代表作艾波卡特坐落于美国佛罗里达州的迪斯尼世界度假区，是这个度假区内除迪斯尼外的第二座主题乐园——未来城市主题乐园。艾波卡特在1982年10月正式开幕，建筑的整体由一个巨大的网格球顶型包裹，周围也都是同样未来派风格的建筑。

在艾波卡特落成后的第3年，1985年，英国化学家哈罗德·克罗托和美国化学家理查德·斯莫利制备出了一种很特别的物质。这种物质的分子由60个碳原子组成，这60个碳原子组成一个足球的形状。看上去和艾波卡特如此之像，再加上克罗托和斯莫利又是巴基·富勒的超级粉丝，于是这种新的物质被命名为富勒烯。在我国，也有人称这种物质为巴基球或足球烯。

我们知道，碳是地球上最重要的元素之一。所有的生物，包括我们人类的身体里，都充满了碳元素。化学家们为了研究碳和碳的化合物，专门开辟了有机化学这一重要的化学领域。化学家们很早就知道，纯净的碳有两种不同的形态——金刚石和石墨，所谓金刚石，就是女士们手上戴着的闪闪发光的钻石；而石墨，是一种黑黑的粉末，是铅笔芯的主要材料。

看上去如此不同的两样东西，居然都是由碳组成的，可见碳的神奇！然而事情还没有完，克罗托和斯莫利的工作带给我们一种全新的认知，碳原子居然还能排列成这个样子！

富勒烯的发现开阔了人们的视野，科学家们开始寻找碳的其他组合方式。功夫不负有心人，1991年，日本物理学家饭岛澄男发现了管状的富勒烯。既然球状的叫巴基球，干脆管状的就叫巴基管吧。这就是我们前面讲到的碳纳米管。在碳纳米管中，每一个碳原子都和其他碳原子一起组成六边形，所有的六边形连接在一起，形成一个管状结构。

制造碳纳米管的最大难题

碳纳米管是一种“超级材料”，它的强度是钢材的300倍，而密度仅仅是钢材的1/6，而且它还拥有良好的柔韧性，可以随意拉伸，被誉为“全能纤维”。碳纳米管有良好的导热性和导电性，也许在不久的将来，它可以取代硅成为计算机芯片的主要材料。

虽然全能，可目前的碳纳米管还只能在实验室中拳打脚踢施展武艺。之所以会这样，是因为想要制造一个碳纳米管实在太困难了！前面那张图里的碳纳米管是一种完美的形状，每个碳原子都和其他的碳原子组成六边形。可是在实际制造碳纳米管的过程中，可没有那么完美了，五边形、六边形、七边形……一个个长得都歪瓜裂枣。这些碳原子会随机组成各种不同的组合，这些不确定的组合会严重影响碳纳米管的性质！人们不知道如何来控制碳纳米管的结构，从而得到性能稳定的成品。这个问题一直困扰了人们20多年。

李彦教授和她的课题组找到了一种很好的方法，可以控制碳纳米管的结构，从而生产出完美的全部六边形的碳纳米管。这一发现，无疑为碳纳米管的深度开发应用奠定了基础。

“全能纤维”也有不少缺点

作为一种超级材料，碳纳米管的应用，无疑能给我们的生活带来很多的便利。不过它也有很多不好的地方。

首先，它能引起我们眼睛的不适，让我们的皮肤过敏，如果我们吸入过多的碳纳米管，还可能导致肺癌、尘肺等疾病。其次，它会引起水生生物的生长变慢，甚至死亡。再次，它的结构并不是十分稳定，它会吸附周围的物质从而引起自身结构的改变，这些改变会不会产生一些有毒有害的物质，还需要进一步研究。