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的气敏性能。晶相与化学分析结果表明,掺杂1.0%的K-Co3O4材料表面的Co3+与Co2+的比值最高,且表面氧空位含量也最大。这两种因素促使材料表面具有化学吸附氧含量高,有效减小了晶体半导体的禁带宽度,从而使得材料在较低的工作温度下就具备较大的载流子浓度。另外,Co3+活性位点多对C2H5OH分子的裂解氧化起到促进作用,从而加快了材料与检测气体之间作用的响应-恢复速度。气敏性能结果显示:K掺杂棒状Co3O4气敏传感器的最佳工作温度为160℃,掺杂1.0%的K-Co3O4传感器对50 ppm C2H5OH的响应值可达220,比纯Co3O4提高了 6倍,同时材料还具有较好的选择性、重复性和长期稳定性。优异的气敏性能使得此材料有望应用于VOCs的实际检测。