納米In₂O₃的制備工藝及應用進展

盛源浩

In2O3納米材料因其穩(wěn)定、禁帶較寬、導帶性較好等優(yōu)點受到人們廣泛研究，應用于光電、光催化、氣敏元件等領域。綜述對In2O3從不同制備工藝及應用情況進行了論述，并提出了In2O3在光催化和氣敏性方面的發(fā)展趨勢及努力方向。

隨著科技的不斷進步，納米材料近年來呈現(xiàn)了日新月異的發(fā)展趨勢。納米材料的表征及分析技術的革新，使得人們對這種材料的認識更加深入。納米材料由于其具有小尺寸效應、量子隧穿效應等特性，因此催化活性比塊體材料更加優(yōu)異，備受科學工作者青睞。

In2O3是一種重要的n型半導體材料，因其具備高可見光透過率、高電導率、催化活性較好等優(yōu)點，在光電、催化劑、氣敏元件等領域得到廣泛應用。本文從In2O3的合成方法，如化學氣相沉積法、模板法、水熱法等，以及這些方法的應用情況和存在的問題進行了論述，并提出了In2O3納米材料的發(fā)展趨勢及努力方向。

1.納米In203的制備工藝

1.1化學氣相沉積法

化學氣相沉積法（即CVD方法）指一種或幾種單質或化合物作為底物，在適當條件下，以氣態(tài)形式發(fā)生反應，通過冷卻使得產物沉積于沉底上形成目標產物的一種工藝，是一種常見的材料制備方法。由于該實驗方法操作簡單，容易控制等優(yōu)點，受到關注。

然而由于缺乏前體In2O3，薄膜很難通過具有高蒸氣壓和低分解的材料溫度的熱CVD方法來進行制備。Bloor等在450℃通過氣溶膠輔助化學方法（AACVD）沉積在玻璃基材上下沉積得到In2O3薄膜，可檢測還原性氣體，如C0、氨氣和氧化性氣體如NO2。Wang等通過低溫金屬有機化學氣相沉積法制得了In2O3納米顆粒，并研究了10nm厚的含In2O3顆粒層對NOx和02氣體的響應。發(fā)現(xiàn)可檢測的最低NOx濃度為200ppb，傳感器性能非常依賴于氣體的分壓和工作狀態(tài)的溫度。傳感器對于200ppm的NOx的響應高達104。此外，對02的交叉敏感性非常低，表明In2O3納米顆粒非常適合于選擇性NOx檢測。但是，該方法所需設備較精密，價格昂貴，成本較高，實際生產中難以推廣。

1.2模板法

模板法是一種合成納米材料的有效方法，與一般合成方法相比，無論化學反應體系是液體還是氣態(tài)，其反應的區(qū)域都能得到有效的控制。其諸多優(yōu)點體現(xiàn)在：可準確控制目標納米材料的尺寸、形貌及性質；合成與組裝可同步進行并提供納米材料分散性；操作過程較容易。結果證明，經(jīng)過Ps模板得到的材料呈現(xiàn)空心球狀結構，其外壁由更小的納米粒子堆積所形成。

1.3水熱法

水熱反應是指在高溫、高壓的條件下，在封閉的高壓反應釜中進行的化學反應。其特點表現(xiàn)為操作簡單，設備成本較低，條件可控，所得的納米顆粒的晶相純度高、分散性較好、晶面可控，被認為是一種適宜的制備方法，廣泛用于制備納米材料。

Li等人利用水熱過程中調控不同溶劑的方法，得到了不同形貌的前驅體In（OH）3，經(jīng)過高溫煅燒得到了三種結構，分別為多孔微球、納米立方體和納米盤。Li等人利用水熱法合成多孔納米一微米立方結構的In2O3。Fu等人在工作中，通過加入六亞甲基四胺，并以In（NO3）3為In源制備出了棒狀的In2O3。

2.納米ln203的應用

2.1納米In203在光催化領域的應用

hi203是一種寬帶隙的半導體材料，可以被大于帶隙能的吸收光子的能量所激發(fā)，產生電子一空穴對，與吸附在表面的底物分別發(fā)生氧化和還原反應。目前In2O3在光催化降解等方面已經(jīng)取得了一些成果。Wang等利用水熱法成功制備出胡桃狀的In2O3納米球，可見光降解羅丹明B活性在300min內可以降解完全，表現(xiàn)出良好的活性。Wu等通過水熱法結合熱處理合成出了3D花狀多孔菱形 （rh-In2O3）納米結構。在可見光下，實現(xiàn)光催化降解四環(huán)素，表現(xiàn)出了良好的性能。Zhang等通過P123輔助的溶劑熱過程，制備了體心立方氧化銦（bcc-In2O3）空心微球，表現(xiàn)出較高的光催化降解氣體甲苯的效率。

2.2納米In2O3在光電領域的應用

In2O3過去在顯示器、太陽能電池等光電器件領域應用較廣，對其電學特性研究較多。近年來，人們開始對其光學性質進行研究，因為氧化銦屬于n型透明半導體氧化物，禁帶寬度較大和電阻率較小，是一種較好的導電材料。人們將其制備成透明導電氧化物（TCO）薄膜而廣泛應用于各種光電器件設備。此外，經(jīng)過摻雜金屬元素，如鈦、鉬等可使得TCO薄膜具有較好的的透光性和導電性。Kang等在研究中，為了改善金屬氧化物在低溫溶液反應形成的In2O3薄膜晶體管（TFT），利用硝酸銦膜，暴露于紫外一臭氧30分鐘，然后在200℃退火。研究結果表明，硝酸銦在處理后發(fā)生冷凝，紫外線臭氧減少了氧空位的數(shù)量，并增加氧化銦膜中金屬一氧一金屬鍵的數(shù)量，使得其電器件性能較高。

2.3納米In2O3在氣敏傳感器中的應用

In2O3材料存在較多的氧空位和離子間隙，提供了反應的活性位以及電子轉移通道，且具有高的比表面積，有利于對底物的物理吸附、化學吸附，這些使得納米In2O3作為氣體傳感材料具備高靈敏度、高響應和高選擇性等優(yōu)點，在該氣體傳感器領域取得了一定的進展。Patil等在研究中，通過使用簡單的噴霧熱解法沉積得到立方晶體結構氧化銦（In2O3）厚膜。In2O3膜以0.07M溶液濃度沉積時檢測到的最大傳感器響應（ Rg/Ra）在150°C時，對于100ppm的N02氣體，為33.45；Shaalan等提出了一種制作氧化銦（In2O3）透明薄膜用于甲烷氣體傳感器的簡單方法。使用銦作為原料以通過簡化的熱蒸發(fā)法引導In2O3膜的沉積膜的透射率（T）高達96%。光學帶隙（Eg）為3.68eV。制備的薄膜可檢測濃度遠低于爆炸極限的CH4氣體，表現(xiàn)出很好的傳感器響應特性和穩(wěn)定性。

3.結論與展望

納米In2O3因其具有高可見光透過率、高電導率、催化活性較好等優(yōu)點，在氣敏元件、光電、催化劑等領域極具應用前景。對于材料的合成方面，在制備工藝的選擇上、制備條件的精確控制上，以及在應用方面的拓展取得了一定進展，達到了一些效果。但是，目前還存在一些亟待解決的問題，如對高純度的H-In2O3的制備工藝有待進一步提高、如何對納米In2O3材料進行更精準的調控、如何提高催化性能等，如何深入研究催化機理及氣敏機理，這些將成為今后重要研究內容，需要科研工作者為發(fā)展高性能納米In2O3材料進行進一步研究。