層狀前驅(qū)體法鈷基多級結(jié)構(gòu)氣敏材料的制備及其氣敏性能研究.pdf

1、隨著中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及工業(yè)化水平不斷提高，環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻。大氣污染主要來自于化石燃料的燃燒、工業(yè)生產(chǎn)廢氣及汽車尾氣的排放，引發(fā)霧霾、酸雨以及臭氧層破壞等一系列環(huán)境問題，給人們的生產(chǎn)生活造成了嚴(yán)重危害。半導(dǎo)體氣體傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)恢復(fù)時間短以及成本低廉等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于有毒有害氣體的檢測，半導(dǎo)體金屬氧化物則是構(gòu)建半導(dǎo)體氣體傳感器的關(guān)鍵材料。因此開展性能優(yōu)異的半導(dǎo)體金屬氧化物氣敏材料的制備及構(gòu)效關(guān)系研究在有毒有害氣體的監(jiān)測領(lǐng)域具有

2、非常重要的意義。
　　Co3O4作為一種典型p型半導(dǎo)體材料，具有催化活性高、穩(wěn)定性良好、電化學(xué)以及電磁特性優(yōu)異等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于諸多研究領(lǐng)域。但Co3O4的氣敏性能相對較弱，存在響應(yīng)值較低、選擇性差以及響應(yīng)溫度較高等缺點，限制了其在氣敏領(lǐng)域的應(yīng)用。近年來，人們圍繞提升Co3O4基半導(dǎo)體材料氣敏性能開展了諸多研究，構(gòu)筑半導(dǎo)體氧化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料以及構(gòu)筑石墨烯/氧化物復(fù)合材料是目前研究的熱點。
　　針對目前Co3O4基氣敏材料存在

3、工作溫度高、靈敏度低等問題，本論文以大幅度提高Co3O4基氣敏材料氣敏活性、靈敏度和響應(yīng)速度為目標(biāo)，基于水滑石類層狀材料(HTLCs)組成和結(jié)構(gòu)的可調(diào)控性，開展了層狀前驅(qū)體法多級結(jié)構(gòu)鈷基氣敏材料的制備，探討了多級結(jié)構(gòu)鈷基氣敏材料結(jié)構(gòu)與性能之間的內(nèi)在關(guān)系。首先采用共沉淀法制備了一系列不同Co/Ti摩爾比的CoTi-HTLcs前驅(qū)體材料，經(jīng)焙燒制備了系列Co3O4-TiO2半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。對材料晶相以及形貌結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征分析，表明形成了C

4、o3O4-TiO2異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。與多級結(jié)構(gòu)Co3O4相比，Co3O4-TiO2異質(zhì)結(jié)材料具有更大的比表面積(120m2/g)，能提供更多的吸附位點和活性位點，有利于氣體的吸脫附及表面化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行;p-n異質(zhì)結(jié)引起的內(nèi)建電場導(dǎo)致Co3O4-TiO2異質(zhì)結(jié)材料具有更大的電阻變化幅度，Co3O4-TiO2半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料氣敏性能明顯提升;其中Co/Ti摩爾比為4的Co3O4-TiO2異質(zhì)結(jié)氣敏性能最佳，在115℃時其對50ppm二甲苯的響

5、應(yīng)值為116，響應(yīng)恢復(fù)時間分別為130s和150s，其氣敏響應(yīng)值為Co3O4的3.5倍。此外，該異質(zhì)結(jié)材料具有較低的檢測限、良好的選擇性、重復(fù)性以及穩(wěn)定性。
　　采用Hummers法以及超聲剝離法制備了氧化石墨烯(GO)，利用其表面豐富的親水性基團(tuán)，采用共沉淀法在其表面原位生長Co-HTLcs制備了Co-HTLcs/rGO復(fù)合材料，然后在氮氣氣氛下焙燒獲得Co3O4/rGO復(fù)合材料。通過一系列分析測試對材料的形貌以及晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行表

6、征，驗證了Co3O4/rGO復(fù)合材料的形成，并測試其氣敏性能。結(jié)果表明，石墨烯修飾能夠顯著提升Co3O4半導(dǎo)體氧化物材料的氣敏性能。當(dāng)石墨烯添加量為20％、焙燒溫度為300℃時，Co3O4/rGO復(fù)合材料在115℃時對50ppm二甲苯的響應(yīng)達(dá)到最高響應(yīng)值82，響應(yīng)恢復(fù)時間分別為140s和160s。此外Co3O4/rGO復(fù)合材料具有較低的檢測限、良好的響應(yīng)恢復(fù)曲線以及優(yōu)良的選擇性。Co3O4/rGO復(fù)合材料優(yōu)異的氣敏性能歸因于其具有較大的