气敏传感器是一种可以将气体信息转化为可用输出信号的装置,在智能家居、汽车电子、环境监测以及医疗诊断等领域都有着十分广泛的应用。其中金属氧化物基气敏传感器由于具有成本低、易携带、结构简单和气敏特性优异等特点,一直以来都是气敏传感器领域研究的热点。作为气敏传感器的核心之一,敏感材料的选择对其性能起着至关重要的作用。四氧化三钴(Co_3O_4)是一种具有混合价态(Co~(2+)/Co~(3+))的p型金属氧Vorinostat抑制剂化物,其良好的催化活性能使得它成为一种极具潜力的敏感材料。然而由于自身传感机制的限制,纯Co_3OC59研究购买_4基传感器往往展现出灵敏度低、响应/恢复速度慢等问题,很大程度上限制了它们的实际应用。基于此,本论文利用金属有机框架(Metal-Organic Frameworks,MOFs)作为前驱体具有大表面积、高孔隙率及结构可调等优点,以Co_3O_4为研究对象,通过对其微观结构进行合理设计,并在此基础上采用掺杂手段有效调控了它的电子结构,从而显著提升了Co_3O_4基气敏传感器对三乙胺(TEA)气体的灵敏度、响应/恢复速度、工作温度及选择性等敏感性能,同时系统地研究了其气敏机制。具体研究内容如下:1.设计合成出类纺锤状Sn掺杂Co_3O_4多孔纳米片,并系统地分析了不同Sn离子掺杂浓度对Co_3O_4基传感器气敏特性的影响。其中5 at%Sn-Co_3O_4基传感器在较低的工作温度下(180~oC)对100 ppm TEA气体展现出的响应值(70.7)约为纯Co_3O_4基传感器(6.4)的11倍,并且其响应/恢复时间分别为1 s和17 s。此外,该传感器还具有良好的抗湿性能、气体选择性以及长期稳定性。二维多孔纳米片的形成不仅使得敏感材料表面形成丰富的活性位点,而且也为气体扩散和电子转移提供了有效通道。在此结构增感基础上,通过Sn离子掺杂,调控了敏感材料中的载流子、氧空位及化学吸附氧浓度,从而提升了传感器的性能。2.设计合成出花状Sr掺杂Co_3O_4分等级结构。气敏测试结果显示,与纯Co_3O_4基传感器相比,2 mol%Sr-Co_3O_4基传感器具有更好的TEA传感性能。具体来说,它在低的工作温度下(160~oC)对100 ppm TEA气体表现出较高的响应值(52)和较短的响应/恢复时间(40/58 s),并且它还具有良好的选择性和长期稳定性。花状分等级结构较大的比表面积以及低团聚的优势使得敏感材料表面形成了丰富的活性区域。在分等级结构增感基础上,Sr掺杂提高了敏感材料中的氧空位浓度,造成传感器性能增强。3.设计制备出由超薄多孔纳米片组装而成的类蝴蝶结状Ga掺杂Co_3O_4分等级结构。系统地研究了纯、1%、2%和5%Ga掺杂Co_3O_4基传感器的气敏性能。结果表明,基于2 at%Ga-Co_3O_4的传感器在180~oC下对50 ppm TEA气体表现出最高的响应值(108),是纯Co_3O_4基传感器(3.5)的30倍左右。此外,它还具有快的响应/恢复速度(3 s/15 s)、低的检测极限(0.1 ppm)、良好的选择性、重复性和长期稳定性。类蝴蝶结状分等级多孔结构表现出低团聚、渗透性强的优点。在此基础上,Ga掺杂导致敏感材料比表面积及氧空位浓度的增加,有利于在材料表面形成更多的活性位点,进一步提升了传感器的性能。此外,该传感器具有良好气体选择性是由于C-N键能较低以及材料表面与TEA分子的酸/碱相互作用。4.设计制备出一维Ru/Mo共掺杂Co_3O_4中空微管。传感测试结果表明,当Mo和Ru的掺杂量分别为1%和0.3%时,Co_3O_4基传感器的性能最佳。具体来说,0.3%Ru/Mo-Co_3O_4基传感器在160~oC下对100 ppm TEA气体表现出高的响应(126),约为纯Co_3O_4基传感器的18.5倍。此外,它还具有快的响应/恢复速度(5s/7 s)、良好的选择性、重复性以及长期稳定性。一维中空多孔结构具有载流子迁移率高和气体分子扩散速度快的优点。在此基础上,Ru/Mo共掺杂调控了敏感材料中的载流子及氧空位浓度,同时Ru/Mo离子较强的催化活性促进了化学吸附氧和TEA分子间的化学反应,导致了传感器性能的提升。5.设计并合成出Al/Mo共掺杂多孔Co_3O_4中空四面体。气敏测试结果表明,0.2 at%Al/Mo-Co_3O_4基传感器表现出最佳的传感性能。它在160~oC下对100 ppm TEA表现出的高的响应值(132),pediatric hematology oncology fellowship是纯Co_3O_4基传感器的33倍。此外,该传感器还具有较快的响应/恢复速度(4 s/36 s)、低的检测极限(0.5 ppm)、良好的选择性和长期稳定性。中空多孔四面体结构的构筑不仅使得敏感材料表面形成更多的活性位点,还可以加快气体分子的扩散速度。在此基础上,Al/Mo共掺杂有效调控了Co_3O_4材料的载流子和氧空位浓度,并促进了氧解离反应,进一步在敏感材料表面形成更多的化学吸附氧,有利于传感器性能的增强。