α-Fe2O3納米材料的合成、應用及展望概述

梁 茂，王浩任，孫一諾，宋新飛，紀文會，丁文釗，朱怡榮，馬登學，梁士明

(臨沂大學 材料科學與工程學院，山東 臨沂 276005)

20世紀七八十年代，氧化鐵系氣敏性材料被開發(fā)，其它半導體材料如ZnO和SnO2等氣敏性材料盡管已經(jīng)發(fā)展得比較完善，但是大多數(shù)的都需要依靠摻雜一定量的貴金屬才能使它們的靈敏度有所提高。然而氧化鐵系氣敏性材料卻與此不同，在添加普通金屬離子的情況下就可以有較好的氣敏特性，而且此類氣敏性材料在基底材料上有優(yōu)異的附著性，所以制作氣敏元件更加方便[1]。

氧化鐵系氣敏性材料已經(jīng)和ZnO，SnO2一起，成為了三大氣敏性材料[1]。其中，α-Fe2O3是氧化鐵系氣敏性材料中用于制作氣敏元件最主要的一種，α-Fe2O3是目前發(fā)現(xiàn)最穩(wěn)定的氧化鐵，在一定的環(huán)境條件下具有n型半導體的性質，該材料在鋰離子電池、氣體傳感器、磁性材料、顏料和催化劑等方面有廣泛的潛在應用[2]。α-Fe2O3氣敏性材料的合成方法有很多，本文主要介紹了水熱合成法、溶膠凝膠法、化學共沉淀法和微乳液法。α-Fe2O3氣敏性材料對多種典型氣體如丙酮、甲苯和NO2等的氣敏性能進行了總結歸納。

1 α-Fe2O3的制備方法

1.1 水熱合成法

水熱合成法是指在密閉反應釜中,在溶劑、表面活性劑和反應底物一起，在高溫、高壓下反應制備出納米材料的一種合成方法。和其它納米材料制備方法相比,該法合成的納米材料具有形貌多樣、結構可控、分散性好、純度高并且原料的成本相對較低。用此法可制得具有較高的氣敏性和良好的選擇性、穩(wěn)定性的α-Fe2O3納米材料。

如Haojie Song等[3]采用水熱合成方法制備了具有空心核殼結構的α-Fe2O3納米材料。因為該材料的獨特多孔空心核殼結構，因此對NO2氣體具有較高的氣敏性和較短的響應和恢復時間。而且該實驗方法可廣泛地用于制造多種具有不同復合結構的先進材料，在能源和環(huán)境等領域的應用更加有效實用。

Ping Wang等[4]采用離子液體(IL)輔助水熱反應，經(jīng)煅燒成功制備了α-Fe2O3納米材料，這種原位組裝的α-Fe2O3介孔納米點陣傳感器不僅具有靈敏度高和對三甲胺(TMA)重現(xiàn)性好等優(yōu)點，而且在濃度范圍0.1～100 ppm內具有良好的線性關系。在217 ℃下對TMA具有較高的響應。

而Wang chang Geng等[5]在100 ℃水熱溫度下成功制備了具有雙峰孔徑分布的α-Fe2O3納米粒子。此外，他們還研究得出該樣品對丙酮、乙酸乙酯、異丙醇、正丁醇、乙醇和甲醇等有機物樣品的氣敏性能有明顯的增強效果。最后他們提出，這是一種很有前途的氣體傳感材料。這一研究方法也將適用于其他新型傳感納米材料的開發(fā)。

1.2 溶膠凝膠法

溶膠凝膠法是指在一定的溶劑中溶解金屬氧化物或氫氧化物，形成均勻的溶液，然后將溶液經(jīng)反復的水解、縮化直至形成透明溶膠，再經(jīng)脫水、熱處理等過程從而制成納米材料。該方法可以在溶液凝膠時控制加熱溫度,從而使產(chǎn)物的組分和粒徑達到預期的效果,而且合成溫度不需很高。

如A.Mirzaei等[6]采用溶膠凝膠法制備了α-Fe2O3納米顆粒。以該納米顆粒為基體制作的傳感器在最佳工作溫度225 ℃對乙醇氣體顯示出良好的敏感性能和選擇性能。

1.3 化學沉淀法

該方法首先是向液相中加入適當?shù)某恋韯?，反應得到沉淀物，再?jīng)熱處理得到納米材料。化學沉淀法操作簡單、化學成分容易控制。用此法可制得靈敏度高、選擇性和穩(wěn)定性好的α-Fe2O3納米材料。

如Z Tianshu等[7]采用化學共沉淀法制備了摻有金屬Sb的α-Fe2O3納米材料，以該材料制作的傳感器對C2H2、汽油和LPG等碳氫化合物氣體的敏感性有一定提高。而且隨著氣體濃度的增加靈敏度也隨之增加，當氣體濃度達到4000 ppm時還能檢測到信號。當Sb/Fe達到0.03時發(fā)現(xiàn)傳感器對烴類氣體的靈敏度最高。

Daniel Garcia等[8]采用共沉淀法制備了不同金屬含量(1.0%～5.0 % Ag)的Ag/α-Fe2O3納米粒子。含量為3 % Ag的α-Fe2O3納米粒子傳感器對CH3SH在室溫、20～ 80 ppm的范圍內測試結果顯示，隨著氣體濃度的增加材料的性能有一定的提高。成正比關系，而且線性關系良好。因此，該以該材料制備氣體傳感器具有優(yōu)異的重復性、良好的選擇性和短期穩(wěn)定性，可用于環(huán)境分析和工業(yè)過程控制。

秦聰?shù)萚9]采用化學沉淀法制備了p-n型CuO/α-Fe2O3復合半導體納米材料，該材料對CO 氣體比較敏感，而且在較低的溫度下也能保持這一特性。他們研究發(fā)現(xiàn)，當增加CuO 負載含量時，CuO/α-Fe2O3復合半導體的類型會由n型轉為p型，得到的樣品由粒徑平均為10 nm 的顆粒組成，而且該材料在100 ℃下，對CO 的靈敏度比純的α-Fe2O3提高了幾十倍。

1.4 微乳液法

微乳液法通常是在表面活性劑、醇類、碳氫化合物(油)的作用下形成穩(wěn)定的體系，再經(jīng)成核、聚結、團聚、熱處理后得到納米粒子。此法的特點是實驗裝置簡單、易于操作、粒度可控而且界面性和單分散好。用此方法制得的α-Fe2O3納米材料一般具有靈敏度高、選擇性、穩(wěn)定性較好的優(yōu)點。

如姜秀榕等[10]采用利用雙微乳液法制備了剛玉結構的α-Fe2O3材料，該材料制成的氣敏元件對CO氣體有較高的靈敏度、響應特性、選擇性、穩(wěn)定性也較好。

2 應用

如今，人們對美好的生活需要日益增長。但是，隨著時代的發(fā)展，迅速發(fā)展的工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展產(chǎn)生越來越多的毒性氣體、可燃性氣體和易爆性氣體，污染環(huán)境，影響人們的健康生活[11]。其中NO2、甲苯和丙酮等是比較常見的污染物。α-Fe2O3氣敏性材料具有很好的氣敏性和穩(wěn)定性，能夠比較準確地預報和檢測這些有害氣體[2]。因此，使用該材料研發(fā)制備的檢測監(jiān)控設備是非常有前途的。

2.1 對NO2的檢測

如Zhengfei Dai等[12]制備的單層α-Fe2O3反蛋白石(IO)薄膜應用在傳感器中能夠檢測到低至10ppb的 NO2含量，而且穩(wěn)定性好。

Haojie Song等[2]制備的空心核殼α-Fe2O3微球，對NO2氣體具有較高的靈敏度，響應時間和恢復時間都較短。

Ying-li Dong等[13]制備的α-Fe2O3/rGO納米復合材料在室溫下對90 ppm NO2的響應為150.63%，比純石墨烯的響應高65.5倍，對NO2的檢測限度可降低到0.18 ppm。由于該材料的高響應性和選擇性，因此應用在NO2傳感器中有巨大的用途。

2.2 對甲苯的檢測

Chen Wang等[14]備的α-Fe2O3/NiO納米棒復合材料對100ppm甲苯的響應約為18.68。在300 ℃時比純的NiO響應高13.18倍。該納米棒復合材料具備的多孔中空結構特性和催化作用，能增強對甲苯的傳感性，以該材料制作的氣體傳感器具有響應回收的特性。

2.3 對丙酮的檢測

Mingjun Dai等[15]制備了一種新型層次結構納米異質結構CNTs@α-Fe2O3復合材料，該材料對丙酮具有良好的傳感性能，而且靈敏度高，選擇性好，重現(xiàn)性好，在225 ℃下對100ppm丙酮的響應接近35，傳感器檢測限為500 ppb。傳感性能的增強主要歸因于CNTs與CNTs@α-Fe2O3納米棒之間獨特的結構界面。

3 展望

目前α-Fe2O3氣敏性材料的制備技術和應用領域研究不斷拓展而且深入。大量產(chǎn)品投入到實際應用中并受到良好的應用效果。但是隨著應用領域的不斷拓展，對材料的性能要求也在不斷提高，如何低成本、綠色化和安全化的生產(chǎn)符合要求的高性能α-Fe2O3氣敏性材料是今后的發(fā)展方向。