【摘 要】
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有毒有害气体对环境、动植物以及人类健康带来了严重影响,因此使用高性能的气体传感器来对这些气体进行检测是十分必要的。近年来,研究者们在不断地提高金属氧化物气体传感器的灵敏度、响应恢复时间、稳定性等特性,但是仍存在一些不足。一方面,大多数金属氧化物气体传感器的工作温度高,这不仅会使传感器的功耗增加、使用寿命减少,还限制了它们在易燃易爆气体中检测的应用。另一方面,目前的气体传感器大多受限于有线或本地的数
【基金项目】
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国家自然科学基金（62004059）； 河北省自然科学基金（F2020202050）；
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有毒有害气体对环境、动植物以及人类健康带来了严重影响,因此使用高性能的气体传感器来对这些气体进行检测是十分必要的。近年来,研究者们在不断地提高金属氧化物气体传感器的灵敏度、响应恢复时间、稳定性等特性,但是仍存在一些不足。一方面,大多数金属氧化物气体传感器的工作温度高,这不仅会使传感器的功耗增加、使用寿命减少,还限制了它们在易燃易爆气体中检测的应用。另一方面,目前的气体传感器大多受限于有线或本地的数据传输,限制了传感器便携化的发展,并且有线传感器部署有限,成本较高。为了满足新型气体传感器的需求,本文以ZrO2、Co3O4两种p型氧化物为敏感材料,通过调控金属氧化物的形貌,探究了敏感材料的表面微观结构对气敏性能的影响,在此基础上实现了金属氧化物基气体传感器的高灵敏室温检测和低功耗无线检测。主要的实验内容如下:（1）采用水热法通过改变实验条件（溶剂种类、酸碱度、反应温度、时间）制备了棒状、空核、星状三种不同形貌的ZrO2,经过表征分析得出,不同形貌材料的表面微观结构是提高气体传感器气敏性能、实现室温工作的关键因素。在室温条件下,基于三种不同形貌的ZrO2气体传感器都对NO2表现出良好的气敏性能。其中,与空核ZrO2、星状ZrO2相比,棒状ZrO2具有更高的结晶度、更大尺度的孔径、更窄的带隙和更多的化学吸附氧。因此,在室温下,基于棒状ZrO2气体传感器对NO2的响应最高,甚至对5 ppm低浓度的NO2的灵敏度高达198.0%。（2）以三维氮掺杂的碳网络为模板,通过浸渍法和热处理法制备了三维互联多孔网络结构的Co3O4。经过表征分析发现,多孔网络结构的连通性和导电性为目标气体向金属氧化物扩散提供了有利条件,促使更多的吸附氧与甲醛反应。另外,三维多孔网络Co3O4材料的窄带隙、高结晶度、高吸附氧含量提高了传感器对甲醛的气敏性能。基于三维多孔网络Co3O4气体传感器对20 ppm低浓度甲醛的响应为29.2%,响应恢复时间分别为527 s和60 s。除此之外,利用蓝牙模块、无线模块实现了基于三维多孔网络Co3O4气体传感器对室内甲醛的无线监测和报警。
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