半导体Co3O4材料的气敏特性研究

张中伟，邵明辉，王绍菲，刘 文

（济南大学 物理科学与技术学院 山东 济南 250022）

1 引言

伴随科技的日益发展，人类日常生活与生产活动越来越便利，同时伴随这些便利而来的是对资源的竭取和对环境的污染，其中对大气的污染是最主要的形式之一，人们的生产活动每时每刻都在产生能污染大气的气体，如一氧化碳、甲烷、氮氧化合物、硫氧化合物等，与之而来的是酸雨，臭氧层空洞、雾霾、温室效应等一系列严峻问题。因此对生活中有害气体的检测极为重要，它能使人们避免突发气体泄漏和气体污染，保护人们的身心健康，同时对周围有害气体的及时检测，我们将有更多的时间来采取有效治理措施，我们急需一种反应灵敏、选择性强、无污染、成本低、使用时间长的仪器来测试这些有害气体。

近年来随着纳米材料的迅速发展，Co3O4作为一种潜在的气敏特性的金属氧化物半导体材料被人们发掘出来。随着研究的深入，人们发现Co3O4在在气敏传感、催化剂、电致变色、锂离子电池、磁性材料、超级电容、染料等方面都拥有着十分广阔的应用前景。在这里我们着重探究的是氧化钴纳米材料的气敏传感性能。潘兰英等人发现，采用自组装方式被参入量位3%SnO2纳米晶修饰多孔Co3O4纳米棒对C2H5OH及H2S表现出很好的气敏特性，具有很大的开发前景。Geng等人通过水热法和热分解法制备出了六角Co3O4纳米片以及八面体单晶Co3O4纳米材料，通过实验的论证，Geng等人发现NaOH的浓度以及水热时的温度对最终生成的产物的形貌起到决定性的作用。另外刘继青[9]等人针对Co3O4纳米材料对乙醚的催化发光特性，研发了基于纳米Co3O4低温催化发光的乙醚传感器。实验表明，其对乙醚表现出很好的选择性，良好的快速响应，以及稳定性，具有很高的实用开发价值。

2 实验过程

制备Co3O4纳米材料的方法主要有：水热法、溶剂热法、溶胶凝胶法、热分解法、化学喷雾热解法、沉淀法、静电纺丝法等，每种方法都有其优点和独特的运用之处，在这里我们采用的的是水热法制备Co3O4。

称取352mgCo(NO3)2·6H2O溶解于其中，持续搅拌，然后称取380mg尿素加入其中，搅拌30分钟，最后加入60mgNH4F，充分搅拌。将所得溶液放入聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜中，在100℃的温度下保温8个小时。等到冷却到室温后，将所得产物进行离心分离，用水和乙醇反复清洗多次，直至所得产物纯净。在空气氛围60℃下干燥8个小时，最后将前躯体在350℃下退火4个小时。改变水热温度为120℃、160℃，同样的操作制备出Co3O4纳米材料。作为对比，我们同时制备了Ag/Co3O4、ZnO/Co3O4、Sn/Co3O4复合材料的制备。

3 气敏性能测试

将气敏材料元件老化48小时以后，我们通过气敏测试仪WS60AR进行测试。我们的研究是通过改变水热温度，以及掺杂来提高Co3O4的气敏性能。我们一共制备了6种纳米Co3O4材料，分别是100℃水热温度制备下的纯Co3O4纳米材料（记作C100)、120℃水热温度制备的纯Co3O4纳米材料（记作C120)、160℃水热温度下制备的纯Co3O4纳米材料（记作C160）、Ag复合Co3O4纳米材料、ZnO复合Co3O4纳米材料、Sn/Co3O4纳米材料。

图1 为所制备的材料对100ppm乙醇的灵敏度曲线。横坐标为温度（℃），纵坐标为灵敏度。

由图1我们可以看出120℃水热温度下的纳米Co3O4材料具有最高的灵敏度16.238，其次是160℃水热温度下的纳米Co3O4材料和120℃水热温度下的纳米Co3O4材料。通过实验和数据分析，我们得出C100的最佳操作温度为180℃，C120的最佳操作温度为220℃，C160的最佳操作温度为180℃，ZnO/Co3O4的最佳操作温度为220℃，Sn/Co3O4的最佳操作温度为240℃，Ag/Co3O4的最佳操作温度为220℃。C100和C160具有最低的操作温度，Sn/Co3O4具有最高的操作温度。可以看出，没有进行任何复合的Co3O4材料具有较高的响应特性和较低的操作温度。

针对灵敏度较高的Co3O4材料在最佳操作温度下对5ppm，10ppm，25ppm，50ppm，100ppm以及200ppm的乙醇进行了检测，实验证明：随着乙醇浓度的上升C100的灵敏度逐渐增大对每个浓度的乙醇都有较好的响应。

C120在我们所有制备的材料当中对乙醇表现出了最佳的气敏性能，不仅对较低浓度的乙醇具有较高的灵敏度，同时响应和恢复十分迅速，用时短，稳定性优异。如图2所示，C160在灵敏度方面对较高浓度的乙醇表现出虽然较优异。从上图我们可以看出在对乙醇的检测中，Co3O4（160℃）对乙醇表现出了优异的200ppm乙醇表现出了最高的灵敏度，但是Co3O4（120℃）对较低浓度的乙醇依然表现出了良好的响应度。

图2 为C160在180℃操作温度下对不同浓度乙醇的响应

除了乙醇以外我们还检测了所制备的Co3O4纳米材料对10ppm，25ppm，50ppm，100ppm，200ppm的乙二醇以及丙酮的灵敏度。实验证明C120对乙醇、丙酮和乙二醇的灵敏度都随ppm浓度的增大而增加，对乙二醇的灵敏度低。

4 结语

采用用水热法制备Co3O4材料，通过掺杂以及改变水热温度的方式制备出不同的Co3O4纳米材料。经过对所制备材料的气敏性能的研究，我们发现在120℃水热温度下制备的Co3O4（120℃）纳米材料具有有优异、全面的气敏性能，灵敏度较高，响应以及恢复迅速用时短，对低浓度的乙醇、丙酮依然拥有敏锐的响应度。