纳米In₂O₃的制备工艺及应用进展

盛源浩

In2O3纳米材料因其稳定、禁带较宽、导带性较好等优点受到人们广泛研究，应用于光电、光催化、气敏元件等领域。综述对In2O3从不同制备工艺及应用情况进行了论述，并提出了In2O3在光催化和气敏性方面的发展趋势及努力方向。

随着科技的不断进步，纳米材料近年来呈现了日新月异的发展趋势。纳米材料的表征及分析技术的革新，使得人们对这种材料的认识更加深入。纳米材料由于其具有小尺寸效应、量子隧穿效应等特性，因此催化活性比块体材料更加优异，备受科学工作者青睐。

In2O3是一种重要的n型半导体材料，因其具备高可见光透过率、高电导率、催化活性较好等优点，在光电、催化剂、气敏元件等领域得到广泛应用。本文从In2O3的合成方法，如化学气相沉积法、模板法、水热法等，以及这些方法的应用情况和存在的问题进行了论述，并提出了In2O3纳米材料的发展趋势及努力方向。

1.纳米In203的制备工艺

1.1化学气相沉积法

化学气相沉积法（即CVD方法）指一种或几种单质或化合物作为底物，在适当条件下，以气态形式发生反应，通过冷却使得产物沉积于沉底上形成目标产物的一种工艺，是一种常见的材料制备方法。由于该实验方法操作简单，容易控制等优点，受到关注。

然而由于缺乏前体In2O3，薄膜很难通过具有高蒸气压和低分解的材料温度的热CVD方法来进行制备。Bloor等在450℃通过气溶胶辅助化学方法（AACVD）沉积在玻璃基材上下沉积得到In2O3薄膜，可检测还原性气体，如C0、氨气和氧化性气体如NO2。Wang等通过低温金属有机化学气相沉积法制得了In2O3纳米颗粒，并研究了10nm厚的含In2O3颗粒层对NOx和02气体的响应。发现可检测的最低NOx浓度为200ppb，传感器性能非常依赖于气体的分压和工作状态的温度。传感器对于200ppm的NOx的响应高达104。此外，对02的交叉敏感性非常低，表明In2O3纳米颗粒非常适合于选择性NOx检测。但是，该方法所需设备较精密，价格昂贵，成本较高，实际生产中难以推广。

1.2模板法

模板法是一种合成纳米材料的有效方法，与一般合成方法相比，无论化学反应体系是液体还是气态，其反应的区域都能得到有效的控制。其诸多优点体现在：可准确控制目标纳米材料的尺寸、形貌及性质；合成与组装可同步进行并提供纳米材料分散性；操作过程较容易。结果证明，经过Ps模板得到的材料呈现空心球状结构，其外壁由更小的纳米粒子堆积所形成。

1.3水热法

水热反应是指在高温、高压的条件下，在封闭的高压反应釜中进行的化学反应。其特点表现为操作简单，设备成本较低，条件可控，所得的纳米颗粒的晶相纯度高、分散性较好、晶面可控，被认为是一种适宜的制备方法，广泛用于制备纳米材料。

Li等人利用水热过程中调控不同溶剂的方法，得到了不同形貌的前驱体In（OH）3，经过高温煅烧得到了三种结构，分别为多孔微球、纳米立方体和纳米盘。Li等人利用水热法合成多孔纳米一微米立方结构的In2O3。Fu等人在工作中，通过加入六亚甲基四胺，并以In（NO3）3为In源制备出了棒状的In2O3。

2.纳米ln203的应用

2.1纳米In203在光催化领域的应用

hi203是一种宽带隙的半导体材料，可以被大于带隙能的吸收光子的能量所激发，产生电子一空穴对，与吸附在表面的底物分别发生氧化和还原反应。目前In2O3在光催化降解等方面已经取得了一些成果。Wang等利用水热法成功制备出胡桃状的In2O3纳米球，可见光降解罗丹明B活性在300min内可以降解完全，表现出良好的活性。Wu等通过水热法结合热处理合成出了3D花状多孔菱形 （rh-In2O3）纳米结构。在可见光下，实现光催化降解四环素，表现出了良好的性能。Zhang等通过P123辅助的溶剂热过程，制备了体心立方氧化铟（bcc-In2O3）空心微球，表现出较高的光催化降解气体甲苯的效率。

2.2纳米In2O3在光电领域的应用

In2O3过去在显示器、太阳能电池等光电器件领域应用较广，对其电学特性研究较多。近年来，人们开始对其光学性质进行研究，因為氧化铟属于n型透明半导体氧化物，禁带宽度较大和电阻率较小，是一种较好的导电材料。人们将其制备成透明导电氧化物（TCO）薄膜而广泛应用于各种光电器件设备。此外，经过掺杂金属元素，如钛、钼等可使得TCO薄膜具有较好的的透光性和导电性。Kang等在研究中，为了改善金属氧化物在低温溶液反应形成的In2O3薄膜晶体管（TFT），利用硝酸铟膜，暴露于紫外一臭氧30分钟，然后在200℃退火。研究结果表明，硝酸铟在处理后发生冷凝，紫外线臭氧减少了氧空位的数量，并增加氧化铟膜中金属一氧一金属键的数量，使得其电器件性能较高。

2.3纳米In2O3在气敏传感器中的应用

In2O3材料存在较多的氧空位和离子间隙，提供了反应的活性位以及电子转移通道，且具有高的比表面积，有利于对底物的物理吸附、化学吸附，这些使得纳米In2O3作为气体传感材料具备高灵敏度、高响应和高选择性等优点，在该气体传感器领域取得了一定的进展。Patil等在研究中，通过使用简单的喷雾热解法沉积得到立方晶体结构氧化铟（In2O3）厚膜。In2O3膜以0.07M溶液浓度沉积时检测到的最大传感器响应（ Rg/Ra）在150°C时，对于100ppm的N02气体，为33.45；Shaalan等提出了一种制作氧化铟（In2O3）透明薄膜用于甲烷气体传感器的简单方法。使用铟作为原料以通过简化的热蒸发法引导In2O3膜的沉积膜的透射率（T）高达96%。光学带隙（Eg）为3.68eV。制备的薄膜可检测浓度远低于爆炸极限的CH4气体，表现出很好的传感器响应特性和稳定性。

3.结论与展望

纳米In2O3因其具有高可见光透过率、高电导率、催化活性较好等优点，在气敏元件、光电、催化剂等领域极具应用前景。对于材料的合成方面，在制备工艺的选择上、制备条件的精确控制上，以及在应用方面的拓展取得了一定进展，达到了一些效果。但是，目前还存在一些亟待解决的问题，如对高纯度的H-In2O3的制备工艺有待进一步提高、如何对纳米In2O3材料进行更精准的调控、如何提高催化性能等，如何深入研究催化机理及气敏机理，这些将成为今后重要研究内容，需要科研工作者为发展高性能纳米In2O3材料进行进一步研究。