RSC Adv.：基于粒子修飾α-Bi2Mo3O12/Co3O4納米管的新型乙醇氣體傳感器

DOI:10.1039/d0ra02591g

使用靜電紡絲和水熱技術，利用高效且簡便的兩步法成功合成了一種基于粒子修飾α-Bi₂Mo₃O₁₂/Co₃O₄納米管的新型復合材料。在電紡α-Bi₂Mo₃O₁₂納米管上水熱制備了均勻的小尺寸Co₃O₄納米粒子。使用X射線粉末衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、能量色散X射線光譜（EDX）、透射電子顯微鏡（TEM）、高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）、X射線光電子能譜儀（XPS）和Brunauer-Emmett-Teller（BET）分析檢驗了純α-Bi₂Mo₃O₁₂納米纖維和基于α-Bi₂Mo₃O₁₂/Co₃O₄的復合材料。根據BET測量，基于α-Bi₂Mo₃O₁₂/Co₃O₄的復合材料具有54 m² g^-1的大比表面積，中孔直徑范圍為2-10 nm，這主要歸因于與純α-Bi₂Mo₃O₁₂納米纖維（38 m² g^-1）和Co₃O₄納米顆粒（32 m² g^-1）相比，其氣體傳感的顯著增強。在這項工作中，與純α-Bi₂Mo₃O₁₂納米纖維和Co₃O₄納米粒子相比，基于α-Bi₂Mo₃O₁₂/Co₃O₄的新型復合材料在170℃的最佳工作溫度下具有30.25的高靈敏度和對100 ppm乙醇的快速響應/恢復速度，在220℃和280℃的最佳工作溫度下，其靈敏度分別為13.10和2.99。基于α-Bi₂Mo₃O₁₂/Co₃O₄傳感器的復合材料表現出對乙醇的優異傳感性能，這可能歸因于大量的表面氧物種、Co₃O₄納米顆粒的小尺寸催化效應以及在n型Co₃O₄和p型Co₃O₄之間形成的界面效應導致的高載流子濃度。這是在氣敏時代對基于α-Bi₂Mo₃O₁₂/Co₃O₄傳感器的復合材料進行的一項新研究，在先進的氣敏領域具有重要的應用價值。

圖1.基于粒子修飾α-Bi₂Mo₃O₁₂/Co₃O₄納米管復合材料的制備和合成策略。

圖2.（a）α-Bi₂Mo₃O₁₂納米纖維（紅色）、（b）基于α-Bi₂Mo₃O₁₂/Co₃O₄異質結構的復合材料（粉紅色）和（c）Co₃O₄納米顆粒（藍色）的XRD圖。

圖3.（a）純α-Bi₂Mo₃O₁₂納米纖維的SEM圖像。（b）和（c）α-Bi₂Mo₃O₁₂/Co₃O₄復合材料的高倍率和低倍率SEM圖像。（d）和（e）α-Bi₂Mo₃O₁₂/Co₃O₄復合材料的高倍率和低倍率TEM照片。（f）α-Bi₂Mo₃O₁₂/Co₃O₄復合材料的HRTEM照片。

圖4.（a）α-Bi₂Mo₃O₁₂/Co₃O₄復合材料的XPS全光譜。（b）α-Bi₂Mo₃O₁₂/Co₃O₄的Bi 4f、（c）Mo 3d、（d）CO 2p以及（e）和（f）O 1s XPS光譜。

圖5.（a）純α-Bi₂Mo₃O₁₂納米纖維和α-Bi₂Mo₃O₁₂/Co₃O₄復合材料的氮氣吸附-解吸等溫線，插圖顯示純Co₃O₄納米顆粒。（b）純α-Bi₂Mo₃O₁₂納米纖維和基于粒子修飾α-Bi₂Mo₃O₁₂/Co₃O₄納米管的復合材料的相應吸附-解吸孔徑分布曲線，插圖顯示純Co₃O₄納米顆粒的孔徑分布曲線。

圖6.（a）在不同工作溫度下，純α-Bi₂Mo₃O₁₂納米纖維和α-Bi₂Mo₃O₁₂/Co₃O₄復合材料對100 ppm乙醇的響應。（b）在170℃的最佳溫度下，純Co₃O₄納米顆粒、α-Bi₂Mo₃O₁₂納米纖維和基于α-Bi₂Mo₃O₁₂/Co₃O₄傳感器的復合材料對100 ppm不同目標氣體的氣體響應。（c）基于純Co₃O₄納米顆粒、α-Bi₂Mo₃O₁₂納米纖維和α-Bi₂Mo₃O₁₂/Co₃O₄復合材料的傳感器在170℃下對不同乙醇濃度的實時傳感響應曲線。（d）純和復合基傳感器的氣體響應隨乙醇濃度的變化而變化。

圖7.（a）α-Bi₂Mo₃O₁₂/Co₃O₄復合材料對100 ppm乙醇的長期穩定性。（b）在170℃的最佳溫度下，純Co₃O₄納米顆粒、α-Bi₂Mo₃O₁₂納米纖維和基于α-Bi₂Mo₃O₁₂/Co₃O₄的復合材料對不同相對濕度效應的響應（誤差線代表在三次測量中獲得的標準誤差）。

圖8.（a）和（b）暴露于乙醇目標氣體之前和之后的示意圖，（c）和（d）顯示了空氣中以及暴露于目標氣體乙醇之后的帶隙能量。