半導體Co3O4材料的氣敏特性研究

張中偉，邵明輝，王紹菲，劉 文

（濟南大學 物理科學與技術學院 山東 濟南 250022）

1 引言

伴隨科技的日益發展，人類日常生活與生產活動越來越便利，同時伴隨這些便利而來的是對資源的竭取和對環境的污染，其中對大氣的污染是最主要的形式之一，人們的生產活動每時每刻都在產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、溫室效應等一系列嚴峻問題。因此對生活中有害氣體的檢測極為重要，它能使人們避免突發氣體泄漏和氣體污染，保護人們的身心健康，同時對周圍有害氣體的及時檢測，我們將有更多的時間來采取有效治理措施，我們急需一種反應靈敏、選擇性強、無污染、成本低、使用時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展，Co3O4作為一種潛在的氣敏特性的金屬氧化物半導體材料被人們發掘出來。隨著研究的深入，人們發現Co3O4在在氣敏傳感、催化劑、電致變色、鋰離子電池、磁性材料、超級電容、染料等方面都擁有著十分廣闊的應用前景。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。潘蘭英等人發現，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C2H5OH及H2S表現出很好的氣敏特性，具有很大的開發前景。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，通過實驗的論證，Geng等人發現NaOH的濃度以及水熱時的溫度對最終生成的產物的形貌起到決定性的作用。另外劉繼青[9]等人針對Co3O4納米材料對乙醚的催化發光特性，研發了基于納米Co3O4低溫催化發光的乙醚傳感器。實驗表明，其對乙醚表現出很好的選擇性，良好的快速響應，以及穩定性，具有很高的實用開發價值。

2 實驗過程

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、化學噴霧熱解法、沉淀法、靜電紡絲法等，每種方法都有其優點和獨特的運用之處，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，充分攪拌。將所得溶液放入聚四氟乙烯內襯的不銹鋼高壓釜中，在100℃的溫度下保溫8個小時。等到冷卻到室溫后，將所得產物進行離心分離，用水和乙醇反復清洗多次，直至所得產物純凈。在空氣氛圍60℃下干燥8個小時，最后將前軀體在350℃下退火4個小時。改變水熱溫度為120℃、160℃，同樣的操作制備出Co3O4納米材料。作為對比，我們同時制備了Ag/Co3O4、ZnO/Co3O4、Sn/Co3O4復合材料的制備。

3 氣敏性能測試

將氣敏材料元件老化48小時以后，我們通過氣敏測試儀WS60AR進行測試。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復合Co3O4納米材料、ZnO復合Co3O4納米材料、Sn/Co3O4納米材料。

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

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。通過實驗和數據分析，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。可以看出，沒有進行任何復合的Co3O4材料具有較高的響應特性和較低的操作溫度。

針對靈敏度較高的Co3O4材料在最佳操作溫度下對5ppm，10ppm，25ppm，50ppm，100ppm以及200ppm的乙醇進行了檢測，實驗證明：隨著乙醇濃度的上升C100的靈敏度逐漸增大對每個濃度的乙醇都有較好的響應。

C120在我們所有制備的材料當中對乙醇表現出了最佳的氣敏性能，不僅對較低濃度的乙醇具有較高的靈敏度，同時響應和恢復十分迅速，用時短，穩定性優異。如圖2所示，C160在靈敏度方面對較高濃度的乙醇表現出雖然較優異。從上圖我們可以看出在對乙醇的檢測中，Co3O4（160℃）對乙醇表現出了優異的200ppm乙醇表現出了最高的靈敏度，但是Co3O4（120℃）對較低濃度的乙醇依然表現出了良好的響應度。

圖2 為C160在180℃操作溫度下對不同濃度乙醇的響應

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

4 結語

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。經過對所制備材料的氣敏性能的研究，我們發現在120℃水熱溫度下制備的Co3O4（120℃）納米材料具有有優異、全面的氣敏性能，靈敏度較高，響應以及恢復迅速用時短，對低濃度的乙醇、丙酮依然擁有敏銳的響應度。