摘要
作为一种常用试剂，丙酮被广泛应用于工业和实验中。长时间接触高浓度丙酮会对中枢神经系统产生麻醉作用，并对眼、鼻、喉产生刺激作用。此外，呼出气中的丙酮气体是检测糖尿病的潜在生物标志物。因此，丙酮气体监测对人类健康具有十分重要的意义。ZnO是一种n型半导体，具有宽禁带宽度（3.37eV）、大激子结合能（60meV）、高电子迁移率、高化学和热稳定性等优点，已被用于丙酮传感器的基础气敏材料。然而，ZnO基丙酮气体传感器的发展和应用还存在许多限制因素，如工作温度高、气体响应低和选择性差等。因此，有必要进一步提高ZnO纳米材料的丙酮气敏性能以满足实际应用需求。本论文通过水热法合成不同形貌ZnO微观结构，Pr6O11修饰ZnO纳米棒，Co3O4修饰ZnO花状层级结构，探究了形貌与微观结构、金属氧化物表面修饰对ZnO纳米材料丙酮气敏性能的影响，给出了ZnO盘对、花状和核桃状层级结构的气敏性能特点，Pr6O11和Co3O4表面修饰的最佳比例，并从气体扩散、表面反应和内部传导的角度分析了气敏增强机理。 主要结论如下： （1）通过在水热过程中改变柠檬酸、NaOH和醋酸锌二水合物的相对量，制备出ZnO盘对、花状和核桃状层级结构。在最佳工作温度（210℃）下，ZnO花状结构由于具有最高的（001）晶面暴露程度、肖特基势垒高度、最大的BET比表面积和BJH平均孔径，对丙酮表现出最高的气体响应（23.5-100ppm）、优异的稳定性和选择性。在同一工作温度下，ZnO核桃状结构由于表面氧空位含量最高且吸附的O2-离子反应活性高，对丙酮表现出最短的响应/恢复时间（3/7s）和最低的检测限（49.5ppb）。ZnO盘对由于（100）晶面暴露程度最高且BJH平均孔径最小，对乙二醇单甲醚表现出独特的选择性。用六水合硝酸锌代替醋酸锌二水合物改善了ZnO花状层级结构在气体响应、稳定性和选择性方面的丙酮气敏性能，其检测下限提高且延长了恢复时间。 （2）通过水热法制备不同程度Pr6O11纳米颗粒修饰ZnO纳米棒。在Pr/Zn摩尔比为0、0.03、0.05和0.1的传感器中，Pr/Zn摩尔比为0.05的Pr6O11/ZnO传感器对100ppm丙酮表现出最高的气体响应（47.7），且在最佳工作温度（190℃）下具有相对较好的重复性、稳定性和选择性。气敏性能的提高归因于电子从ZnO纳米棒经Pr6O11/ZnO界面转移到Pr6O11纳米颗粒，导致ZnO纳米棒表面具有更厚的电子耗尽层和更高的肖特基势垒高度。 （3）通过水热法合成不同程度Co3O4纳米颗粒修饰ZnO花状层级结构。Co3O4纳米颗粒修饰降低了ZnO传感器的最佳工作温度，在金属离子中Co摩尔含量为0、0.03、0.05和0.1的传感器中，Co摩尔含量为0.03的传感器在最佳工作温度（160℃）下对100ppm丙酮具有最大的气体响应（48.6）。增强的丙酮气体响应归因于Co3O4与ZnO之间的p-n异质结效应以及Co3O4的高催化和吸附氧能力。
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