半導(dǎo)體Co3O4材料的氣敏特性研究

張中偉，邵明輝，王紹菲，劉 文

（濟(jì)南大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 山東 濟(jì)南 250022）

1 引言

伴隨科技的日益發(fā)展，人類日常生活與生產(chǎn)活動(dòng)越來越便利，同時(shí)伴隨這些便利而來的是對(duì)資源的竭取和對(duì)環(huán)境的污染，其中對(duì)大氣的污染是最主要的形式之一，人們的生產(chǎn)活動(dòng)每時(shí)每刻都在產(chǎn)生能污染大氣的氣體，如一氧化碳、甲烷、氮氧化合物、硫氧化合物等，與之而來的是酸雨，臭氧層空洞、霧霾、溫室效應(yīng)等一系列嚴(yán)峻問題。因此對(duì)生活中有害氣體的檢測極為重要，它能使人們避免突發(fā)氣體泄漏和氣體污染，保護(hù)人們的身心健康，同時(shí)對(duì)周圍有害氣體的及時(shí)檢測，我們將有更多的時(shí)間來采取有效治理措施，我們急需一種反應(yīng)靈敏、選擇性強(qiáng)、無污染、成本低、使用時(shí)間長的儀器來測試這些有害氣體。

近年來隨著納米材料的迅速發(fā)展，Co3O4作為一種潛在的氣敏特性的金屬氧化物半導(dǎo)體材料被人們發(fā)掘出來。隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)Co3O4在在氣敏傳感、催化劑、電致變色、鋰離子電池、磁性材料、超級(jí)電容、染料等方面都擁有著十分廣闊的應(yīng)用前景。在這里我們著重探究的是氧化鈷納米材料的氣敏傳感性能。潘蘭英等人發(fā)現(xiàn)，采用自組裝方式被參入量位3%SnO2納米晶修飾多孔Co3O4納米棒對(duì)C2H5OH及H2S表現(xiàn)出很好的氣敏特性，具有很大的開發(fā)前景。Geng等人通過水熱法和熱分解法制備出了六角Co3O4納米片以及八面體單晶Co3O4納米材料，通過實(shí)驗(yàn)的論證，Geng等人發(fā)現(xiàn)NaOH的濃度以及水熱時(shí)的溫度對(duì)最終生成的產(chǎn)物的形貌起到?jīng)Q定性的作用。另外劉繼青[9]等人針對(duì)Co3O4納米材料對(duì)乙醚的催化發(fā)光特性，研發(fā)了基于納米Co3O4低溫催化發(fā)光的乙醚傳感器。實(shí)驗(yàn)表明，其對(duì)乙醚表現(xiàn)出很好的選擇性，良好的快速響應(yīng)，以及穩(wěn)定性，具有很高的實(shí)用開發(fā)價(jià)值。

2 實(shí)驗(yàn)過程

制備Co3O4納米材料的方法主要有：水熱法、溶劑熱法、溶膠凝膠法、熱分解法、化學(xué)噴霧熱解法、沉淀法、靜電紡絲法等，每種方法都有其優(yōu)點(diǎn)和獨(dú)特的運(yùn)用之處，在這里我們采用的的是水熱法制備Co3O4。

稱取352mgCo(NO3)2·6H2O溶解于其中，持續(xù)攪拌，然后稱取380mg尿素加入其中，攪拌30分鐘，最后加入60mgNH4F，充分?jǐn)嚢?。將所得溶液放入聚四氟乙烯?nèi)襯的不銹鋼高壓釜中，在100℃的溫度下保溫8個(gè)小時(shí)。等到冷卻到室溫后，將所得產(chǎn)物進(jìn)行離心分離，用水和乙醇反復(fù)清洗多次，直至所得產(chǎn)物純凈。在空氣氛圍60℃下干燥8個(gè)小時(shí)，最后將前軀體在350℃下退火4個(gè)小時(shí)。改變水熱溫度為120℃、160℃，同樣的操作制備出Co3O4納米材料。作為對(duì)比，我們同時(shí)制備了Ag/Co3O4、ZnO/Co3O4、Sn/Co3O4復(fù)合材料的制備。

3 氣敏性能測試

將氣敏材料元件老化48小時(shí)以后，我們通過氣敏測試儀WS60AR進(jìn)行測試。我們的研究是通過改變水熱溫度，以及摻雜來提高Co3O4的氣敏性能。我們一共制備了6種納米Co3O4材料，分別是100℃水熱溫度制備下的純Co3O4納米材料（記作C100)、120℃水熱溫度制備的純Co3O4納米材料（記作C120)、160℃水熱溫度下制備的純Co3O4納米材料（記作C160）、Ag復(fù)合Co3O4納米材料、ZnO復(fù)合Co3O4納米材料、Sn/Co3O4納米材料。

圖1 為所制備的材料對(duì)100ppm乙醇的靈敏度曲線。橫坐標(biāo)為溫度（℃），縱坐標(biāo)為靈敏度。

由圖1我們可以看出120℃水熱溫度下的納米Co3O4材料具有最高的靈敏度16.238，其次是160℃水熱溫度下的納米Co3O4材料和120℃水熱溫度下的納米Co3O4材料。通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，我們得出C100的最佳操作溫度為180℃，C120的最佳操作溫度為220℃，C160的最佳操作溫度為180℃，ZnO/Co3O4的最佳操作溫度為220℃，Sn/Co3O4的最佳操作溫度為240℃，Ag/Co3O4的最佳操作溫度為220℃。C100和C160具有最低的操作溫度，Sn/Co3O4具有最高的操作溫度?？梢钥闯?，沒有進(jìn)行任何復(fù)合的Co3O4材料具有較高的響應(yīng)特性和較低的操作溫度。

針對(duì)靈敏度較高的Co3O4材料在最佳操作溫度下對(duì)5ppm，10ppm，25ppm，50ppm，100ppm以及200ppm的乙醇進(jìn)行了檢測，實(shí)驗(yàn)證明：隨著乙醇濃度的上升C100的靈敏度逐漸增大對(duì)每個(gè)濃度的乙醇都有較好的響應(yīng)。

C120在我們所有制備的材料當(dāng)中對(duì)乙醇表現(xiàn)出了最佳的氣敏性能，不僅對(duì)較低濃度的乙醇具有較高的靈敏度，同時(shí)響應(yīng)和恢復(fù)十分迅速，用時(shí)短，穩(wěn)定性優(yōu)異。如圖2所示，C160在靈敏度方面對(duì)較高濃度的乙醇表現(xiàn)出雖然較優(yōu)異。從上圖我們可以看出在對(duì)乙醇的檢測中，Co3O4（160℃）對(duì)乙醇表現(xiàn)出了優(yōu)異的200ppm乙醇表現(xiàn)出了最高的靈敏度，但是Co3O4（120℃）對(duì)較低濃度的乙醇依然表現(xiàn)出了良好的響應(yīng)度。

圖2 為C160在180℃操作溫度下對(duì)不同濃度乙醇的響應(yīng)

除了乙醇以外我們還檢測了所制備的Co3O4納米材料對(duì)10ppm，25ppm，50ppm，100ppm，200ppm的乙二醇以及丙酮的靈敏度。實(shí)驗(yàn)證明C120對(duì)乙醇、丙酮和乙二醇的靈敏度都隨ppm濃度的增大而增加，對(duì)乙二醇的靈敏度低。

4 結(jié)語

采用用水熱法制備Co3O4材料，通過摻雜以及改變水熱溫度的方式制備出不同的Co3O4納米材料。經(jīng)過對(duì)所制備材料的氣敏性能的研究，我們發(fā)現(xiàn)在120℃水熱溫度下制備的Co3O4（120℃）納米材料具有有優(yōu)異、全面的氣敏性能，靈敏度較高，響應(yīng)以及恢復(fù)迅速用時(shí)短，對(duì)低濃度的乙醇、丙酮依然擁有敏銳的響應(yīng)度。