钴掺杂氧化锌层状花状结构可控合成及其氧空位增强的正丁醇气敏性能研究

为解决n-butanol（正丁醇）易燃易挥发导致的工业安全与健康监测难题，河北工业大学研究人员通过水热法可控合成钴掺杂ZnO（Co-ZnO）层状花状结构材料。该研究通过XRD、TEM、XPS等技术证实Co掺杂显著增加氧空位和比表面积，使3 at% Co-ZnO传感器在225℃下对100 ppm n-butanol响应值达52.3（较纯ZnO提升21倍），兼具快速响应（2 s）、低检测限（0.3 ppm）及优异选择性。该成果为高性能VOCs传感器设计提供了新思路。

　　

正丁醇（n-butanol）作为工业领域广泛使用的溶剂和化工原料，其易燃易挥发特性不仅可能引发爆炸事故，长期接触更会导致头痛、眩晕等神经系统损伤。尽管美国职业安全署（OSHA）已设定100 ppm的暴露限值，但传统氧化锌（ZnO）半导体传感器因灵敏度低、选择性差等问题难以满足实时监测需求。这一矛盾促使河北工业大学电子与信息工程学院的研究团队开展了一项突破性研究，通过金属掺杂和形貌调控策略，成功开发出性能显著提升的新型气敏材料，相关成果发表在《Sensors and Actuators B: Chemical》期刊。

研究团队采用水热法合成不同钴掺杂量（1-5 at%）的ZnO材料，结合X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）和电子顺磁共振（ESR）等技术系统表征材料特性，并通过标准气敏测试平台评估性能。关键发现集中于以下方面：

【结构分析】
XRD图谱显示所有样品均呈现六方纤锌矿结构（JCPDS No.36-1451），钴掺杂未改变晶体结构但引起晶格收缩。TEM证实材料具有分层花状形貌，3 at% Co-ZnO比表面积达89.6 m²/g，较纯ZnO提升2.3倍。ESR和XPS证实钴掺杂使氧空位浓度提升至14.7%，为气体吸附提供更多活性位点。

【气敏性能】
在225℃工作温度下，3 at% Co-ZnO对100 ppm正丁醇的响应值（R_a/R_g）达52.3，响应/恢复时间仅需2 s/18 s，检测限低至0.3 ppm。对比实验显示，该材料对乙醇、丙酮等干扰气体的响应值均低于正丁醇的30%，且在60%湿度环境下性能衰减不足5%，30天长期测试后信号波动小于4%。

【作用机制】
研究指出性能提升源于三重协同效应：（1）钴掺杂引发的晶格畸变增加氧空位，促进氧分子解离为活性O^-；（2）花状结构提供高渗透性通道和丰富表面活性位；（3）Co²⁺的催化作用加速目标气体氧化反应动力学。

这项研究不仅为工业环境监测提供了可检测ppm级正丁醇的高性能传感器方案，更通过金属掺杂-形貌调控协同策略为半导体气敏材料设计提供了普适性方法。论文通讯作者Xueli Yang和Guofeng Pan强调，该技术路线可扩展至其他挥发性有机化合物（VOCs）检测领域，具有显著的产业化应用前景。