rGOCoTiO_3复合材料的制备及其气敏性能研究
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rGO/CoTiO_3复合材料的制备及其气敏性能研究钛酸钴作为半导体型气敏材料具有灵敏度高、响应快、稳定性好等优点,但其工作温度偏高造成了能量消耗和气敏装置的复杂化,这极大的限制了它的应用和发展。
如何有效地提升钛酸钴气敏性能,同时降低其工作温度,是本课题重点研究的问题。
本论文采用溶胶-凝胶法,以Co（NO<sub>3</sub>）
<sub>2</sub>·6H<sub>2</sub>O和Co（CH<sub>3</sub>COO）
<sub>2</sub>·4H<sub>2</sub>O为钴源,Ti（OC<sub>4</sub>H<sub>9</sub>）<sub>4</sub>为钛源,先制备CoTiO<sub>3</sub>纳米晶、介孔
CoTiO<sub>3</sub>纳米晶和Co TiO<sub>3</sub>多孔微米棒。
在此基础上,将CoTiO<sub>3</sub>与氧化石墨烯（GO）复合,获得不同微结构的
rGO/CoTiO<sub>3</sub>异质气敏材料,研究不同工艺参数对所得产物的结构、形貌及气敏性能的影响,得出如下结论:（1）当硝酸钴和钛酸丁酯摩尔配比为1:1,溶胶pH值为2<sup>5</sup>,常压650°C煅烧2 h,得到平均粒径100 nm的多边形CoTiO<sub>3</sub>纳米晶。
加入模板剂聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物（P123）后,制备出介孔结构Co TiO<sub>3</sub>纳米晶。
将溶剂变为乙二醇,热处理温度提高到700°C,得到多孔的六棱柱状微米棒结构Co TiO<sub>3</sub>。
CoTiO<sub>3</sub>纳米晶、介孔CoTiO<sub>3</sub>纳米晶、微米棒结构CoTiO<sub>3</sub>三种材料对10 ppm乙醇的灵敏度分别是2.2、6.22、7.23,响应与恢复时间分别是1 s/10 s、1 s/7 s、1 s/1 s,工作温度分别是360°C、322°C、334°C。
（2）采用溶胶-凝胶法制备rGO/CoTiO<sub>3</sub>纳米晶复
合材料,发现原料中GO含量、超声功率和N-甲基吡咯烷酮（NMP）用量对材料的微结构和性能有重要影响。
随着GO含量的增加,复合材料的导电性明显提升,对乙醇的响应先增大后减小。
溶剂影响到rGO与CoTiO<sub>3</sub>的结合方式和强度。
超声工艺使rGO片层分散充分,Co Ti O<sub>3</sub>在rGO表面分布更均匀,有利于气敏性提升。
气敏性最佳rGO/CoTiO<sub>3</sub>纳米晶复合材料的制备工艺是:GO质量分数3.9 wt%,超声功率240 W,NMP含量20 mL,在气氛炉650°C 下热处理2 h。
该工艺所制备的rGO/CoTiO<sub>3</sub>工作温度为195°C,对10 ppm乙醇的灵敏度为5.5,响应与恢复时间均为1 s。
与纯的CoTiO<sub>3</sub>纳米晶相比,复合材料的工作温度降低了165°C,对10 ppm乙醇的灵敏度增大了1.5倍,同时恢复时间缩短了8 s。
（3）通过改进rGO与CoTiO<sub>3</sub>的复合工艺,合成出
rGO/CoTiO<sub>3</sub>多孔微米棒复合气敏材料,其工作温度为295°C,对10 ppm乙醇的灵敏度为32.2,响应、恢复时间均为1 s。
其气敏性能比纯的
CoTiO<sub>3</sub>多孔微米棒的工作温度降低了39°C,对10 ppm乙醇的灵敏度提高了3.5倍。
（4）rGO/CoTi O<sub>3</sub>复合材料在较低工作温度下优异的气敏性与材料的以下结构特征有关:1)石墨烯低温下高电导率;2)Ti<sup>3+</sup>催化气体吸附/脱附作用和气敏过程的氧化还原反应;3)Co-O-C键促进载流子的快速传输;4)p-p异质结促进载流子的有效分离和传输;5)多孔结构使材料具有大的比表面积和较多的活性吸附位点。