CuO纳米材料的合成及其气敏性能研究进展

惠晓雨，孙一诺，王浩任，胡海健，施 敏，李保荣，杨瑞宁，梁士明

(临沂大学 材料科学与工程学院，山东 临沂 276005)

CuO是一种重要的p型半导体材料，与普通CuO块体相比，CuO纳米材料因其独特的结构和较大的比表面积等特点，而广泛应用于生物医学、催化剂、磁储存材料、锂离子电池和气体传感器等重要领域。在本文中，我们简要的总结概述了CuO纳米材料的几种典型的合成方法，并将其对典型气体的气敏性能进行了简要的梳理和总结。

1 CuO纳米材料的合成方法

1.1 水热合成法

水热合成法是指在水溶液体系下进行热合成等操作来制备CuO纳米材料的一种方法。它所需反应温度相对较低，而且在制备过程中，可以较为精确的控制CuO纳米颗粒的尺寸和形貌。

张娟等[1]通过水热反应法，将铜源为Cu(NO3)2·H2O，表面活性剂和pH调节剂分别为CTAB和氢氧化钠的反应物质在150℃下反应，制得了氧化铜纳米棒。

1.2 直接沉淀法

直接沉淀法是指将实验过程中直接产生的沉淀物在适宜条件下进行过滤、洗涤、干燥、热分解等过程，最终得到纳米氧化物粉末的一种制备纳米材料的方法。此方法不仅操作起来简单易行，只需较低的成本，且所得产品纯度高。

李闪闪等[2]通过直接沉淀的方法，将原料为CuSO4·5H2O和NaOH的溶液，在一定条件下进行反应，且不添加其他辅助试剂，制备得到氧化铜纳米粉体材料。

1.3 固相法

固相法是一种比较传统的制粉工艺，是指按一定比例混合金属氧化物和金属盐，然后再经过研磨、煅烧等系列操作，最终直接制得纳米粉体的方法。虽然该方法具有效率低、能耗大、易混杂等缺点，但该方法制备的粉末颗粒成本低、产量大、制备工艺简单，在实践中仍然是比较常用的方法。

王文忠等[3]通过固相反应法，将固体氢氧化钠和氯化铜分别研磨成细粉状后混合，然后加入表面活性剂PEG400或NP-9，继续进行一系列实验操作制备出棒状(性状调控剂PEG400)和球形(NP-9为性状调控剂)CuO纳米颗粒。

1.4 溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法是将溶剂与金属氧化物以一定比例混合，在一定条件下制备成均匀的溶液，然后先生成溶胶，进而固化成为凝胶状态，最后再通过热处理得到所需要的纳米材料的方法。它所制得的材料有较细的颗粒，良好的化学均匀性，且所得产品纯度高粒度细。

孙少学等[4]通过溶胶-凝胶法结合超临界干燥技术克服了传统液相法和固相法可能出现的问题，如粒子易团聚等。以此技术制得的高分散CuO纳米颗粒，粒径可达20～40 nm。

1.5 模板法

模板法是指在反应前加入可作为模板的物质，然后在模板的可限制范围内，实现对所合成的材料的尺寸及形貌结构等的控制，再进行一定条件的处理，即得到目标产物。

于东亮等[5]通过模板法首先用三步阳极氧化制备出多孔氧化铝模板，该模板具有分叉结构，然后运用电化学方法，于模板中的纳米孔洞中沉积铜的纳米线阵列，在500℃，30 h的氧化处理后，得到具有分叉结构CuO纳米线。

2 CuO纳米材料的气敏性能

2.1 CuO纳米材料的VOCs气体传感器

近年来，随着对环境监测和人居安全的重视，科研人员对VOCs的检测研究格外关注。CuO作为一种低成本且无毒的p型半导体，在应用于气体传感器等方面表现出显著的优异性能。

Huiying Yan等[6]采用一种简单的溶液法合成了两维CuO纳米片并测试了其气敏性能。在适宜操作条件下，CuO纳米片能显示较好的可逆性和敏感性能。CuO纳米片的响应时间和恢复时间非常短，分别为2～15和5～24 s，传感器对甲醇、乙醇和丙酮等VOCs气体具备良好的敏感性能。CuO纳米片传感器与其他纳米颗粒传感器相比，无论在较高的操作温度(320℃)或较低的操作温度(170℃)，都显示了其优越的气敏性能。

2.2 CuO纳米材料的CO气体传感器

CuO是一种p型金属氧化物半导体，因纳米氧化铜具有优异的光学和化学性能，已被广泛应用在太阳能电池，场发射装置和催化等方面。CO是燃烧过程中产生的主要污染物之一，同时也是大气中分布最广的污染物之一，该气体对人体有较强的毒性且无色无味。因此，对于检测不同环境中的CO，研制高性能的气体传感器是具有十分重要的意义。

Lin Hou等[7]研究了表面形态对CuO气敏性能的影响，合成了CuO纳米管和CuO 纳米立方体两种不同的CuO纳米结构。在对CO气敏性能进行测试研究后，表明了与CuO 纳米管相比，CuO 纳米立方体具有较低的工作温度较高的敏感性能。这表明即便是对于相同的气敏材料，表面晶体结构的不同也会对气敏性能产生重大影响。此研究为设计具有理想表面结构的气体传感材料提供了一种好的策略。

2.3 CuO纳米材料的甲醛气体传感器

甲醛是一种广泛应用于纺织、汽车制造、建筑等领域的重要材料。此外，在家居环境中，装修和家具等散发的甲醛日益受到人们的重视，因长期接触甲醛会引发多种疾病甚至癌症，所以监测工业生产和人类住区中的甲醛非常重要。

Hyun Ju Park等[8]通过用多元醇法合成的Cu2O纳米立方体，并将其在适宜的空气条件下进行热氧化操作，制备得到CuO纳米立方体。然后，在硅基板上进一步进行实验，得到CuO纳米级的气体传感器，并研究了HCHO气体响应特性。试验表明， HCHO添加CuO纳米立方体的传感器在300℃下对800 ppb甲醛气体的灵敏度为1.105，显示出良好的气敏性能。

2.4 CuO纳米材料的NOx气体传感器

随着现代社会迅速发展的科技工业，汽车的使用越来越普遍，但它在带给人们生活便利的同时，尾气也严重的污染了环境。化石燃料的使用大量排放出NOx，这类气体是酸雨和大气光化学烟雾的主要物质之一，长期接触这类物质也会诱发多种疾病。

孙立等[9]通过一定的实验方法在适宜操作条件下合成出了CuO中空纳米球气敏材料，直径约500 nm，所得到的材料对100 ppm NOx的响应时间为2.5 s，灵敏度可达70.96%，最低检测限为2 ppm，灵敏度为13.23%，显示出了室温下CuO纳米材料对NOx有良好的气敏性能。

3 结论与展望

CuO纳米材料因其低廉的价格、多种类的合成工艺、良好的气敏性能等优点，现已广泛应用于各个领域。在国防军事、生物医学等新兴领域，由于待测气体成分复杂、使用环境多变等原因，对材料的气敏性能要求愈加严格。现如今，CuO纳米材料的研制还处于持续发展阶段，因此，未来还需进一步朝着灵敏度高、选择性好等方向发展。