基于空心花球状Co₃O₄的二甲苯气体传感器

摘要

本研究开发了一种基于空心花球状Co₃O₄材料的高性能气体传感器用于检测二甲苯。针对传统P型金属氧化物半导体材料在选择性、灵敏度及工作温度等方面的不足，本研究通过一步水热法合成了具有分级多孔结构的空心花球状Co₃O₄气敏材料，并系统研究了其微观结构特征与气敏性能之间的构效关系。气敏性能测试表明，该传感器在200℃的最佳工作温度下对10 mg/L二甲苯的响应值为1.9，基线电阻仅为4.4 kΩ。传感器在10～100 mg/L浓度范围内呈现良好的线性响应，检测下限为10 mg/L。此外，器件在连续5次循环测试中响应波动小于5%，表现出优异的重复性与长期稳定性。选择性实验进一步显示，该传感器对二甲苯的响应显著高于苯、甲苯、乙醇等常见干扰气体，表现出良好的选择性识别能力。该气体传感器的性能提升机制可归因于空心花球结构的多重优势：分级多孔不仅增加了比表面积，优化了气体扩散路径，还改善了表面电荷分布与气-固相互作用；Co₃O₄本身的催化活性与多孔纳米片组装结构的协同作用进一步增强了其对二甲苯分子的选择性吸附与表面氧化还原反应的效率。本研究不仅提供了一种结构可控、制备简便的高性能二甲苯传感器方案，也为开发面向复杂环境的高选择性气敏材料提供了有益的结构设计参考。

关键词

空心花球状 / 多孔结构 / Co₃O₄ / 二甲苯 / 气体传感器