四氧化三钴材料的结构调控及其气敏性能研究
发布时间：2021-07-27 06:24
四氧化三姑（Co3O4）是一种典型的p型半导体气体传感材料,如何有效改善Co3O4材料的气敏性能是研究人员关注的热点。论文采用水热法通过表面活性剂辅助制备了棒状Co3O4材料和K元素掺杂Co3O4材料,K的掺杂通过对材料表面的Co3+和O2-活性物质含量的调控作用提高了材料的气敏性能,研究进而对掺杂材料的气敏传感机理进行了推断。具体内容如下:（1）实验采用水热法,通过调节表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）的加入量和前驱体的煅烧温度,成功制备了棒状Co3O4材料。相貌和晶体结构分析发现,棒状Co3O4分布均匀,晶格的畸变程度与材料的气敏性能呈正相关。气敏元件在最佳工作温度170℃下对50 ppm C2H5OH的响应可达56,响应/恢复时间为365 s/128 s。研究表明,煅烧温度较低的情况下材料的结晶性变差,致使缺陷增多、表面吸附氧含量增加,进而使气敏响应值提高。此外该传感器具备较低的检测限（0.005 ppm）和良好的稳定性、重复性,但对VOCs气体的选择性还有待提高。（2）采用同样的水热法,制备了K掺杂的棒状Co3O4材料,并测试了不同掺杂量的Co3O4材料对C2H5OH的...
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１?ＩＩ型和ｐ型气敏传感器研究现状
．２?Ｃ０３Ｏ４半导体材料的气敏机理??经长期研究发现，电阻式ＭＯＳ气体传感器的气体响应机理一般都是从所选??材料自身特性着手，如Ｃ〇３０４材料，就会鉴于其是富含化学吸附氧的ｐ型半导体??材料，又具有双价态金属阳离子，通过调控其结构（如尺寸、维数或暴露晶面）??和化学性质（如电子敏化、化学敏化等）来改善材料的导电和催化性能来增强它??的气敏性。就目前众多研究结果来看，以Ｃｏ３０４为主体材料的气敏传感机理都可??以用吸附氧模型［２（）］为基础来进行分析。??ｐ型半导体表面电荷层模型如图１－３所示［２？，以典型ｐ型半导体Ｃ〇３０４材料??为例对气敏机理进行阐述。纯Ｃ〇３０４材料以空穴为载流子的特性是由氧的化学计??量过高引起的（由晶格中的金属空位和／或间隙位置处的过量氧引起）％１。故Ｃ〇３０４??材料自身存在固有的受主状态，通过捕获电子可产生充当电荷载流子的电子－空??穴。当材料处于真空环境时，材料的导电性能取决于材料自身的空穴载流子浓度。??当处于空气环境中时，氧气分子可以捕获材料导带中的一部分电子形成物理或化??学吸附氧的物种从而增加材料表层空穴含量，使得导电能力变强。众所周知，??半导体的导电性受温度影响较大，因此多数电阻式ＭＯＳ气体传感器都有一个最??佳工作温度，Ｃ〇３０４材料也不例外。当处于最佳工作温度时，提供的能量可满足??价带中的电子跨越禁带宽度势垒进入导带，促进表面化学吸附氧含量达到最大值，??材料导电能力也达到最佳状态。若将处于空气状态的Ｃ〇３０４材料转至还原性气氛??下（如甲醛、乙醇等），材料表面也会吸附还原性气体，当外界提供能量满足还??原性气体与表面的活性氧物种反应活化能时，两者会发生反应，并将电子
?北京化工大学硕士学位论文???当材料置于不同气氛下，其表面的能带结构也会随之发生改变。以Ｐ型金属??氧化物为例［２２］如图１－４所示。该图简单分析了?ｐ型材料从真空环境到空气氛围再??到还原性气体氛围下的能带弯曲变化过程。在真空环境下，材料与周围无能级差，??不存在能带弯曲；在空气氛围中，材料会吸附空气中的氧分子，在晶界处形成一??定高度的势垒阻碍电子的运动，致使ｐ型半导体材料电阻率降低，导电能力变强；??再将材料转至还原性气氛中时，气体与吸附的氧发生电子转移反应，并改变了晶??界处势垒高度，导致电阻率升高，导电能力变弱。由此可根据材料电阻在不同气??氛中的变化来定量定性检测目标气体。??；???ｋ??ｒ＊￣￣■—???—???Ｘ??ｆｃ．?‘??Ｖ??????０??—Ｊ?＾??Ｉ?，“上１?＂??！?ｉ?＾?＇?多：－??图１－４?ｐ型半导体材料能带在（ａ?）真空环境（ｂ?）空气氛围和（ｃ）还原性气体中的变化??过程Ｐ１。??Ｆｉｇ．?１－４?Ｔｈｅ?ｃｈａｎｇｅ?ｐｒｏｃｅｓｓ?ｏｆ?ｐ－ｔｙｐｅ?ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ?ｍａｔｅｒｉａｌ?ｉｎ?（ａ）?ｖａｃｕｕｍ?ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ?（ｂ）?ａｉｒ??ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ?ａｎｄ?（ｃ）?ｒｅｄｕｃｉｎｇ?ｇａｓ［２２］．??１．３．３?Ｃ〇３０４气敏材料应用??Ｃ〇３〇４作为一种多功能材料，被用在许多技术领域，如多相催化、锂离子电??池阳极材料［２３－２５］等。近年来，由于其较好的导电性和较高的催化活性使其在气体??传感领域也崭露头角。Ｃ〇３０４气体传感器检测气体的类型可大致分为挥发性有机??
本文编号：3305265
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１?ＩＩ型和ｐ型气敏传感器研究现状
．２?Ｃ０３Ｏ４半导体材料的气敏机理??经长期研究发现，电阻式ＭＯＳ气体传感器的气体响应机理一般都是从所选??材料自身特性着手，如Ｃ〇３０４材料，就会鉴于其是富含化学吸附氧的ｐ型半导体??材料，又具有双价态金属阳离子，通过调控其结构（如尺寸、维数或暴露晶面）??和化学性质（如电子敏化、化学敏化等）来改善材料的导电和催化性能来增强它??的气敏性。就目前众多研究结果来看，以Ｃｏ３０４为主体材料的气敏传感机理都可??以用吸附氧模型［２（）］为基础来进行分析。??ｐ型半导体表面电荷层模型如图１－３所示［２？，以典型ｐ型半导体Ｃ〇３０４材料??为例对气敏机理进行阐述。纯Ｃ〇３０４材料以空穴为载流子的特性是由氧的化学计??量过高引起的（由晶格中的金属空位和／或间隙位置处的过量氧引起）％１。故Ｃ〇３０４??材料自身存在固有的受主状态，通过捕获电子可产生充当电荷载流子的电子－空??穴。当材料处于真空环境时，材料的导电性能取决于材料自身的空穴载流子浓度。??当处于空气环境中时，氧气分子可以捕获材料导带中的一部分电子形成物理或化??学吸附氧的物种从而增加材料表层空穴含量，使得导电能力变强。众所周知，??半导体的导电性受温度影响较大，因此多数电阻式ＭＯＳ气体传感器都有一个最??佳工作温度，Ｃ〇３０４材料也不例外。当处于最佳工作温度时，提供的能量可满足??价带中的电子跨越禁带宽度势垒进入导带，促进表面化学吸附氧含量达到最大值，??材料导电能力也达到最佳状态。若将处于空气状态的Ｃ〇３０４材料转至还原性气氛??下（如甲醛、乙醇等），材料表面也会吸附还原性气体，当外界提供能量满足还??原性气体与表面的活性氧物种反应活化能时，两者会发生反应，并将电子
?北京化工大学硕士学位论文???当材料置于不同气氛下，其表面的能带结构也会随之发生改变。以Ｐ型金属??氧化物为例［２２］如图１－４所示。该图简单分析了?ｐ型材料从真空环境到空气氛围再??到还原性气体氛围下的能带弯曲变化过程。在真空环境下，材料与周围无能级差，??不存在能带弯曲；在空气氛围中，材料会吸附空气中的氧分子，在晶界处形成一??定高度的势垒阻碍电子的运动，致使ｐ型半导体材料电阻率降低，导电能力变强；??再将材料转至还原性气氛中时，气体与吸附的氧发生电子转移反应，并改变了晶??界处势垒高度，导致电阻率升高，导电能力变弱。由此可根据材料电阻在不同气??氛中的变化来定量定性检测目标气体。??；???ｋ??ｒ＊￣￣■—???—???Ｘ??ｆｃ．?‘??Ｖ??????０??—Ｊ?＾??Ｉ?，“上１?＂??！?ｉ?＾?＇?多：－??图１－４?ｐ型半导体材料能带在（ａ?）真空环境（ｂ?）空气氛围和（ｃ）还原性气体中的变化??过程Ｐ１。??Ｆｉｇ．?１－４?Ｔｈｅ?ｃｈａｎｇｅ?ｐｒｏｃｅｓｓ?ｏｆ?ｐ－ｔｙｐｅ?ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ?ｍａｔｅｒｉａｌ?ｉｎ?（ａ）?ｖａｃｕｕｍ?ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ?（ｂ）?ａｉｒ??ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ?ａｎｄ?（ｃ）?ｒｅｄｕｃｉｎｇ?ｇａｓ［２２］．??１．３．３?Ｃ〇３０４气敏材料应用??Ｃ〇３〇４作为一种多功能材料，被用在许多技术领域，如多相催化、锂离子电??池阳极材料［２３－２５］等。近年来，由于其较好的导电性和较高的催化活性使其在气体??传感领域也崭露头角。Ｃ〇３０４气体传感器检测气体的类型可大致分为挥发性有机??
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