氣敏材料的研究進展及展望

【摘要】本文從氣敏材料的概念出發，介紹了氣敏材料的特點、氣敏材料目前存在的主要問題，以及未來的發展前景。

【關鍵詞】氣敏材料 ?傳感器 ?氣敏陶瓷

【基金項目】陜西省自然科學基金（2014JQ1022）;陜西省教育廳自然科學專項研究計劃（11JK0555，14JK1676）;西安郵電大學青年教師基金項目（ZL2013-36），陜西省西安郵電大學教改項目（JGC201230）。

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）08-0240-01

一、引言

在當下這個科技飛速發展的時代，人們日常生活中出現了諸多高科技新型材料，給人們的生活帶來了翻天覆地的變化。氣敏材料便是其中之一。由于氣敏材料具有廣泛的應用前景，引起了材料科學家的關注[1-3]

氣敏材料是一種新型的功能材料，當其接觸特定的氣體物質時，這些材料的物理或化學性質將發生較為顯著的變化[3-7]。利用這些變化，人們可以通過這類敏感材料來檢測特定的氣體成分。氣敏材料一般為多孔材料，使得氣體極容易滲透，因此也可以用來制成測定氧分壓的傳感器。近幾年氣敏材料在傳感器上的廣泛應用使人們逐步了解了氣敏材料的相關特性以及發展前景[3]。此外，與生物嗅覺相比，氣敏材料的檢測靈敏度非常高。

二、氣敏材料的概述

（一） 氣敏材料的定義

氣敏材料是一種新的功能材料。不同類型的氣敏材料會對某種或某幾種氣體十分敏感，表現出材料物理或化學屬性的顯著改變。例如，有一類氣敏材料的電阻阻值會隨著氣體的濃度呈現規律性的變化。利用這種屬性，將電阻的變化轉化為電信號并放大，就可制成氣敏傳感器[2]。目前此類傳感器已在諸多領域投入使用。現實中的氣敏材料通常由多種組分組成，這是因為在研發該類材料的過程中，材料科學家通常會添加摻雜劑，改良其性能[8]。

（二）氣敏材料的特點

首先，氣敏材料會與氣體物質發生作用，將氣敏材料放在不同的氣體環境里面會有不同的特性。其次，由于氣體極容易滲透，便于改良，透氣性很好。當氣敏材料與被測氣體接觸后，氣體分子會逐漸聚積在氣敏材料的顯微空里，進而導致氣敏材料相應的性質的變化[3，4]。最后，檢測靈敏度高。氣敏材料的檢測靈敏度較生物嗅覺高，被科研人員稱為“電子鼻”。

（三）氣敏材料目前存在的問題

現在的氣敏材料研究已經進入了一個全新的階段，但是推廣應用方面還存在著諸多困難。首先，制備方法和摻雜方式的不同對氣敏材料的性質有極大的影響。現在最多應用到的是化學共沉淀和溶膠—凝膠法來制得相應氣敏材料，并沒有針對不同的材料來選擇合適的制備方法[7] 。其次，現在主要研究檢測的氣體大多為還原性氣體和氧化性氣體，揮發性氣體主要是乙醇和丙酮，而對于其他的氣體，特別是一些有毒氣體，則沒有用于檢測的氣敏材料[2]。此外，一些氣敏材料在工作時溫度高，選擇性較低，如何合理地添加摻雜劑是以后應該深入研究的課題[8]。氣敏材料的特性也有可能會受到其他因素影響，例如電極的影響，研究發現，Au電極納米晶氧化鋅傳感器的響應時間、敏感性、穩定性都要比Ag電極的納米晶氧化鋅傳感器要好。目前，氣敏材料的研究趨勢包含有：首先，在大量的實驗基礎上，開展了各種氣敏材料的氣敏機理方面的研究。其次，為了提高材料的性能以及尋找全新的材料，有了更多的交叉科學的研究。最后，更多應用研究正逐步放眼實際生活問題，研制短、小、輕、薄的氣敏器件，以便為我們的生活提供更多的便利[1，2]。

三、氣敏材料的發展趨勢

（一） 納米氣敏材料

納米材料技術作為一門新興的學科，受到了各國科學家的熱切關注，發展異常迅速。納米技術的發展對人們生活和生產方式，都產生了深遠影響。其研究成果如今已經應用到了我們生活中的很多方面，運用納米科技研制出的納米氣敏器件便是其中之一。通過納米技術，可以研制出具有較大的表面積和界面的氣敏材料，改良氣敏材料表面的介孔結構，從而使其表現出了更好的氣敏特性。通過納米科技可以解決某些氣敏材料穩定性差、吸附能力弱等問題，極大改善了氣敏材料的性能[5]。納米科技使氣敏材料的研究進入了全新的時代。

（二） 氣敏陶瓷

氣敏陶瓷，是陶瓷材料的一種，一般用二氧化錫等材料經壓制燒結而成。氣敏陶瓷又稱為氣敏半導體，屬于是一類對氣體敏感的半導體材料[4，6]。對氣敏陶瓷的研究始于科學家發現Cu2O的電導率隨水蒸氣吸附而改變的現象。日、美等國首先對SnO2、ZnO半導體陶瓷氣敏元件進行實用性研究，在薄膜氣敏材料方面取得了突破。而過去的10余年，由于薄膜生長技術的革新，以及現代社會對易燃、易爆、有毒氣體的檢測、控制提出了越來越高的要求，促進了各種氣敏陶瓷的發展[2，6]。

（三）展望

可以推測，氣敏材料未來的發展將主要是與納米科技相結合，應用納米技術研發性能更為優良的氣敏材料。氣敏材料有著廣闊的應用前景，如有毒氣體的檢測等等。快速準確的檢測有毒、有害氣體可以有效保護大家的生命財產安全，但是如何研制可用于不同有毒氣體檢測的氣敏材料將是復雜而艱巨的問題。其次，納米氣敏材料的應用已擴展到社會生活的各個領域，作為控制應用也是一個很重要發展方面。例如自動空氣潔凈機，可以有效控制受污染的氣體流動至我們的生活空間;烘烤機，根據氣體的溫度等有效控制電源，以防止食物被烤焦。

此外，全球環境污染的問題也促進了氣敏材料的發展，為人們有一個健康舒適的生活環境，檢測空氣污染就顯得尤其重要，尋找到可量產的針對大氣污染物的氣敏材料也就顯得十分重要，這也成為了氣敏材料科學研究的新熱點。

參考文獻：

[1]劉海峰，彭同江，孫紅娟，馬國華，段濤. 氣敏材料敏感機理研究進展[J]. 中國粉體技術， 2007年第04期，42-45。

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[3]張林洪，賀之秋. 氣敏材料研究進展[J]. 材料導報，2003年第05期，56-57。

[4]趙義芬，趙鶴云， 吳興惠. 金屬氧化物半導體氣敏材料的研究進展[J].傳感器世界， 2009，年第01期，6-11。

[5]韓冰，楊桂琴，嚴樂美等. 納米尖晶石型復合氧化物的合成及應用[J]. 化學工業與工程，2002年第06期，448-452。

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[7]丁子上，翁文劍. 溶膠-凝膠技術制備材料的發展[J]. 硅酸鹽學報，1993年第05期，443-449。

[8]葛秀濤. 銀摻雜對CdFe2O4電導和氣敏性能的影響[J]. 化學物理學報，2001年第04期，485-490。

作者簡介：

邱海波（1982-），男，山東人，博士，講師，主要從事凝聚態物理的研究。