管狀ZnO-Co3O4納米纖維對ppm級硫化氫的傳感

DOI: 10.1016/j.snb.2019.127624

管狀ZnO-Co3O4納米纖維是由含鋅和乙酸鈷的聚合物溶液共靜電紡絲而成的。通過XRD、SEM、HRTEM、帶有EDX映射的HAADF-STEM和XPS研究了纖維中的物相組成、鈷電子態和元素分布。裸ZnO對NO和NO2具有很高的選擇性靈敏度，而ZnO-Co3O4復合材料在干燥和潮濕的空氣中對H2S表現出選擇性靈敏度。從鈷氧化物轉變為硫化鈷以及鈷摻雜后ZnO氧化物表面酸性的變化來討論這種效應。響應和恢復時間的減少歸因于管狀結構的形成，其有助于氣體通過敏感層的傳輸。

圖1.ZnO-Co₃O₄復合納米纖維的X射線衍射圖。虛線和點劃線分別對應于ZnCo₂O₄（ICDD 23-1390）和ZnO（ICDD 36-1451）的反射位置。

圖2.ZnO-Co₃O₄復合納米纖維的SEM圖像。

圖3.ZnCo13樣品的低倍率（a）和高分辨率（b）TEM圖像；從圓形區域1（c）和2（d）獲取的快速傅里葉變換（FFT）；HAADF-STEM圖像（e）和相應的STEM-EDX混合Zn/Co圖（f）。STEM-EDX圖顯示了富含鋅（5 at.％鈷，區域1）和鈷（61 at.％鈷，區域2）的區域。

圖4.ZnCo13納米復合材料的HAADF-STEM圖像和STEM-EDX圖。

圖5.ZnCo13（a，c）和ZnCo30（b，d）復合納米纖維的HAADF-STEM圖像和STEM-EDX圖。STEM-EDX圖顯示了富含鋅（1）和鈷（2）的區域。鈷富集區的組成：64 at.％鈷（a）和84 at.％鈷（b）；鋅富集區：5 at.％鈷。

圖6.由對應于Co（III）（暗紅色）和Co（II）（紅色）主峰和Co（II）搖動衛星的2個或4個雙峰擬合的Co 2 XP光譜，對應四面體（深綠色）和八面體（深粉色）配位環境。

圖7.ZnO和ZnO-Co₃O₄納米纖維的O 1s XP光譜。

圖8.（a）未改性的ZnO和ZnCo7納米復合材料在250℃下的電阻與氧分壓的關系。插圖：樣品的電導率對250℃時氧分壓的依賴性，坐標為lg（G）-lg（1-G/G₀）相對于lg（po₂），對應于方程（2）。（b）系數m對應于ZnO和ZnO-Co₃O₄表面主要的化學吸附氧種類。

圖9.ZnO-Co₃O₄納米纖維在80-280℃溫度范圍內對NO₂（1 ppm，RH₂₅ = 0％）的瞬態傳感器響應。

圖10.在（a）干燥（RH₂₅ = 0％）和（b）潮濕（RH₂₅ = 60％）的條件下，ZnO-Co₃O₄納米纖維對主要空氣污染物的傳感器信號。對于特定的氣體，給出了最大響應溫度的值。

圖11.在（a）干燥（RH₂₅ = 0％）和（b）濕潤（RH₂₅ = 60％）的條件下，當T = 270℃時，ZnO-Co3O4納米纖維對H₂S（0.2-2 ppm）的瞬態傳感器響應。

圖12.在（a）干燥（RH₂₅ = 0％）和（b）潮濕（RH₂₅ = 60％）的條件下，在T = 270℃下檢測H₂S的校準曲線。

圖13.在干燥和潮濕的空氣中ZnCo7和ZnCo13納米復合材料對1 ppm H₂S的傳感器響應的穩定性，連續測量了14天。