气敏材料的研究进展及展望

【摘要】本文从气敏材料的概念出发，介绍了气敏材料的特点、气敏材料目前存在的主要问题，以及未来的发展前景。

【关键词】气敏材料  传感器  气敏陶瓷

【基金项目】陕西省自然科学基金（2014JQ1022）;陕西省教育厅自然科学专项研究计划（11JK0555，14JK1676）;西安邮电大学青年教师基金项目（ZL2013-36），陕西省西安邮电大学教改项目（JGC201230）。

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）08-0240-01

一、引言

在当下这个科技飞速发展的时代，人们日常生活中出现了诸多高科技新型材料，给人们的生活带来了翻天覆地的变化。气敏材料便是其中之一。由于气敏材料具有广泛的应用前景，引起了材料科学家的关注[1-3]

气敏材料是一种新型的功能材料，当其接触特定的气体物质时，这些材料的物理或化学性质将发生较为显著的变化[3-7]。利用这些变化，人们可以通过这类敏感材料来检测特定的气体成分。气敏材料一般为多孔材料，使得气体极容易渗透，因此也可以用来制成测定氧分压的传感器。近几年气敏材料在传感器上的广泛应用使人们逐步了解了气敏材料的相关特性以及发展前景[3]。此外，与生物嗅觉相比，气敏材料的检测灵敏度非常高。

二、气敏材料的概述

（一） 气敏材料的定义

气敏材料是一种新的功能材料。不同类型的气敏材料会对某种或某几种气体十分敏感，表现出材料物理或化学属性的显著改变。例如，有一类气敏材料的电阻阻值会随着气体的浓度呈现规律性的变化。利用这种属性，将电阻的变化转化为电信号并放大，就可制成气敏传感器[2]。目前此类传感器已在诸多领域投入使用。现实中的气敏材料通常由多种组分组成，这是因为在研发该类材料的过程中，材料科学家通常会添加掺杂剂，改良其性能[8]。

（二）气敏材料的特点

首先，气敏材料会与气体物质发生作用，将气敏材料放在不同的气体环境里面会有不同的特性。其次，由于气体极容易渗透，便于改良，透气性很好。当气敏材料与被测气体接触后，气体分子会逐渐聚积在气敏材料的显微空里，进而导致气敏材料相应的性质的变化[3，4]。最后，检测灵敏度高。气敏材料的检测灵敏度较生物嗅觉高，被科研人员称为“电子鼻”。

（三）气敏材料目前存在的问题

现在的气敏材料研究已经进入了一个全新的阶段，但是推广应用方面还存在着诸多困难。首先，制备方法和掺杂方式的不同对气敏材料的性质有极大的影响。现在最多应用到的是化学共沉淀和溶胶—凝胶法来制得相应气敏材料，并没有针对不同的材料来选择合适的制备方法[7] 。其次，现在主要研究检测的气体大多为还原性气体和氧化性气体，挥发性气体主要是乙醇和丙酮，而对于其他的气体，特别是一些有毒气体，则没有用于检测的气敏材料[2]。此外，一些气敏材料在工作时温度高，选择性较低，如何合理地添加掺杂剂是以后应该深入研究的课题[8]。气敏材料的特性也有可能会受到其他因素影响，例如电极的影响，研究发现，Au电极纳米晶氧化锌传感器的响应时间、敏感性、稳定性都要比Ag电极的纳米晶氧化锌传感器要好。目前，气敏材料的研究趋势包含有：首先，在大量的实验基础上，开展了各种气敏材料的气敏机理方面的研究。其次，为了提高材料的性能以及寻找全新的材料，有了更多的交叉科学的研究。最后，更多应用研究正逐步放眼实际生活问题，研制短、小、轻、薄的气敏器件，以便为我们的生活提供更多的便利[1，2]。

三、气敏材料的发展趋势

（一） 纳米气敏材料

纳米材料技术作为一门新兴的学科，受到了各国科学家的热切关注，发展异常迅速。纳米技术的发展对人们生活和生产方式，都产生了深远影响。其研究成果如今已经应用到了我们生活中的很多方面，运用纳米科技研制出的纳米气敏器件便是其中之一。通过纳米技术，可以研制出具有较大的表面积和界面的气敏材料，改良气敏材料表面的介孔结构，从而使其表现出了更好的气敏特性。通过纳米科技可以解决某些气敏材料稳定性差、吸附能力弱等问题，极大改善了气敏材料的性能[5]。纳米科技使气敏材料的研究进入了全新的时代。

（二） 气敏陶瓷

气敏陶瓷，是陶瓷材料的一种，一般用二氧化锡等材料经压制烧结而成。气敏陶瓷又称为气敏半导体，属于是一类对气体敏感的半导体材料[4，6]。对气敏陶瓷的研究始于科学家发现Cu2O的电导率随水蒸气吸附而改变的现象。日、美等国首先对SnO2、ZnO半导体陶瓷气敏元件进行实用性研究，在薄膜气敏材料方面取得了突破。而过去的10余年，由于薄膜生长技术的革新，以及现代社会对易燃、易爆、有毒气体的检测、控制提出了越来越高的要求，促进了各种气敏陶瓷的發展[2，6]。

（三）展望

可以推测，气敏材料未来的发展将主要是与纳米科技相结合，应用纳米技术研发性能更为优良的气敏材料。气敏材料有着广阔的应用前景，如有毒气体的检测等等。快速准确的检测有毒、有害气体可以有效保护大家的生命财产安全，但是如何研制可用于不同有毒气体检测的气敏材料将是复杂而艰巨的问题。其次，纳米气敏材料的应用已扩展到社会生活的各个领域，作为控制应用也是一个很重要发展方面。例如自动空气洁净机，可以有效控制受污染的气体流动至我们的生活空间;烘烤机，根据气体的温度等有效控制电源，以防止食物被烤焦。

此外，全球环境污染的问题也促进了气敏材料的发展，为人们有一个健康舒适的生活环境，检测空气污染就显得尤其重要，寻找到可量产的针对大气污染物的气敏材料也就显得十分重要，这也成为了气敏材料科学研究的新热点。

参考文献：

[1]刘海峰，彭同江，孙红娟，马国华，段涛. 气敏材料敏感机理研究进展[J]. 中国粉体技术， 2007年第04期，42-45。

[2]谢兆熊. ZnO气敏传感器性能研究[D]. 西安. 西安工业大学，2009。

[3]张林洪，贺之秋. 气敏材料研究进展[J]. 材料导报，2003年第05期，56-57。

[4]赵义芬，赵鹤云， 吴兴惠. 金属氧化物半导体气敏材料的研究进展[J].传感器世界， 2009，年第01期，6-11。

[5]韩冰，杨桂琴，严乐美等. 纳米尖晶石型复合氧化物的合成及应用[J]. 化学工业与工程，2002年第06期，448-452。

[6]张学忠. 金属氧化物半导体纳米气敏材料研究进展[J].中国西部科技， 2011年第 32期，05-06。

[7]丁子上，翁文剑. 溶胶-凝胶技术制备材料的发展[J]. 硅酸盐学报，1993年第05期，443-449。

[8]葛秀涛. 银掺杂对CdFe2O4电导和气敏性能的影响[J]. 化学物理学报，2001年第04期，485-490。

作者简介：

邱海波（1982-），男，山东人，博士，讲师，主要从事凝聚态物理的研究。