[发明专利]一种基于四氧化三钴纳米针的气敏传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米传感器技术领域，特别涉及一种基于四氧化三钴纳米针的气敏传感器及其制备方法。

背景技术

随着我国近年来高速发展的经济水平和居民生活水平，人们对气敏传感器的需求日益凸显。气敏传感器又称“气体传感器”，是指利用各种化学、物理效应将气体成分、浓度按一定规律转换成电信号输出的传感器件，是化学传感器中最活跃的一种。早在20世纪30年代人们就已发现金属氧化物半导体具有气敏效应，半导体气敏传感器起初主要用于对可燃性和有毒气体的检测，但随着时代的发展，人们对家居生活，交通、食品、矿山、国防安全以及工业生产自动监测等各方面日益重视，需要检测的气体种类不断增多，相关的研究工作也取得了很大进展。自20世纪70年代以来，开展了大量的关于金属氧化物半导体传感技术以及先进发展技术的传感系统及其广泛应用的研究，金属氧化物气体传感器在接受被测气体时往往是通过敏感材料表面与气体接触，发生电子得失，导致敏感材料电阻发生变化，最终得到电信号的，进而实现气体浓度或成分等检测。时至今日，ZnO、SnO₂、Fe₂O₃等多种新型气敏传感器正在被不断推向市场为人类造福。

基于以上金属氧化物的气敏传感器通常是将制备的粉体气敏材料涂覆到预制好的氧化铝陶瓷管或其他绝缘衬底上，再经过退火老化等繁琐步骤后，最终合成薄膜形式的气体传感器。这类气敏传感器由于气敏材料的粘合，只有暴露在外面的小部分材料可以在气体吸附、电学传输中起作用，因此检测灵敏度不高。

纳米四氧化三钴（Co₃O₄）是一种典型的p型过渡金属氧化物半导体功能材料，因其具有较高的比容量值、稳定的电化学性、电子迁移率高等优点，广泛的应用于异质催化、超级电容器、锂离子电池和气敏传感器等领，具有良好的发展前景。

比表面积是单位质量物料所具有的总面积，即表面积与质量的比值，单位为cm²/g。比表面积越大，则材料与气体的接触面积越大，气敏传感层的与气体的接触面积大，可以提供更多空间以利于气体分子的快速吸附和解吸，有利于提高气敏传感器的灵敏度。近年来，Co₃O₄纳米材料由于其形貌可控，易于形成具有大比表面积的形貌，如Co₃O₄纳米棒、Co₃O₄纳米球或Co₃O₄纳米针，有利于增大材料的比表面积和电子迁移率，在气敏传感器上应用受到了广泛关注。

现有技术松开了基于不同形貌的Co₃O₄纳米材料的气敏传感器，如基于凹八面体非晶Co₃O₄的气敏传感器（主要用于探测甲醛和乙醇），基于微孔/介孔Co₃O₄纳米棒探的气敏传感器（主要用于探测挥发性有机化合物）、基于Co₃O₄中空纳米球的气敏传感器（主要用于探测丙酮和甲苯）等。

基于以上形态Co₃O₄纳米材料的气敏传感器，均采用现有的金属氧化物平板气体传感器的制备方法，将不同形貌的粉体Co₃O₄纳米材料涂覆到预制好绝缘衬底上，然后经过退火老化等后续处理后组装形成气敏传感器。该制备工艺繁琐、加工成本昂贵等技术问题，且在涂覆过程中，由于纳米材料的无序、粘合剂的残留及气敏材料与基底的不紧密接触等问题，都会导致形成的Co₃O₄气敏传感层丧失电子迁移率高、比表面积大的优势，一定程度上影响了基于Co₃O₄纳米材料的气敏传感器的灵敏度，且其最佳工作温度都在约300℃，大大限制了其应用前景。为降低Co₃O₄纳米材料的气敏传感器的最佳工作温度，出现了一种基于菱形Co₃O₄纳米棒的乙醇气体传感器，制备方法简易，虽然其工作温度仅为160℃，但敏感性能也大受影响，探测100ppm乙醇灵敏度仅为～30。

发明内容

针对现有的气敏传感器的制备工艺繁琐、成本高、最佳工作温度高、工作性能不佳等问题，本发明提供了一种制备工艺简单、性能优异、应用范围较广的基于四氧化三钴纳米针的气敏传感器及其制备方法。