臺灣博碩士論文加值系統

本研究製備了Co3O4和Au/Co3O4兩種催化劑，並將它們應用在固態離子導體(YSZ)電化學式和半導體式的CO氣體感測器上當感測材料，期望能發展出偵測溫度低、靈敏度高、選擇性好、反應時間快和價格便宜的CO氣體感測器。並以氫氣和甲烷作干擾性的氣體測試。
固態離子導體感測器使用YSZ當電解質。與其他金屬氧化物(SnO2、TiO2、CuO)當感測材料比較起來，Co3O4催化劑對CO氧化的催化活性較高，製備出來的感測器偵測所需的溫度較低，靈敏度也較高。在Co3O4上添加奈米金顆粒(Au/Co3O4)後，能再提高感測的靈敏度。但由於低溫下YSZ氧離子導電度不佳，使得Au/Co3O4的CO偵測溫度必須在130 ℃以上。
以Co3O4當感測材料（電阻），所製作出的半導體式CO氣體感測器，在40 ℃的低溫下即可偵測到CO的存在，對CO的靈敏度以80 ℃為最高(S = 3.8)。添加奈米金顆粒(Au/Co3O4)對CO的靈敏度卻沒有助益。

ABSTRACT
Catalysts of Co3O4 and Au/Co3O4 were prepared for sensing materials of CO sensor. Two types of CO sensors i.e. Solid electrolyte (SES) and semiconductor (SCS) were developed. For the sake of applicability, low working temperature, high sensitivity, good selectivity, fast response time and low cost are expected from the prepared sensors. Sensitivity of prepared catalysts towards CH4 and H2 also were tested in the experiment.
In SES, yttria stabilized zirconia (YSZ) was used as the conductor of oxygen ions. Different oxides i.e. CoOx, SnO2, TiO2 and CuO were compared as catalysts in the anode to decrease partial pressure of oxygen. Co3O4 (S = 60 mV) showed higher CO sensitivity (S) than the other oxides. An addition of nanoparticles of Au to Co3O4 raised its CO sensitivity to S = 121 mV. The Au/Co3O4 could detect CO at T > 130 oC. The temperature was restricted by the oxygen ionic conductivity of YSZ disk.
In SCS, CO could be detected by the conductivity of Co3O4 at 40 oC. The optimum working temperature of CO detection was about 80 oC (S = 3.8). An addition of nanoparticles of Au to Co3O4 did not improve the CO sensitivity. Both the response time of SES (YSZ) and SCS based on Co3O4 and Au/Co3O4 were short (< 1 min).

目 錄
第一章 緒論 1
1.1 感測器的定義 1
1.2 氣體感測器的應用 1
1.3 一氧化碳的特性 2
1.4 氣體感測器的類型 4
1.5 CO氣體感測器的文獻回顧 8
1.5-1 SES(YSZ)的部份 8
1.5-2 SCS的部份 10
1.6 氧化鈷(CoOx)催化CO氧化的活性 13
1.7 研究動機和方向 13
第二章 實驗方法 17
2.1 樣品的製備 17
2.1-1 Co3O4樣品的製備 17
2.1-2 Au/Co3O4樣品的製備 17
2.2 樣品的特性鑑定 19
2.2-1 程溫還原系統 19
2.2-2 感應耦合電漿原子放射光譜分析儀 19
2.2-3 熱分析儀(TG/DTA) 19
2.3感測材料層的製備 22
2-4 氣體感測器的製作 22
(A) SES(YSZ)的製作 22
(B) SCS的製作 23
2-5. 感測器的氣體測試 23
(A) SES(YSZ) 31
(B) SCS 31
第三章 結果與討論 34
3.1 CoOx樣品的特性分析 34
3.2 氣體感測器的測試 34
(A) SES(YSZ)的氣體測試 37
3.2-1 感測材料對CO測試的影響 37
3.2-2. Co3O4感測材料層對不同氣體的感測測試 39
3.2-3. Au/Co3O4感測材料層對不同氣體的感測測試 43
3.2-4. YSZ的氧離子導電度對靈敏度的影響 43
(B) SCS的氣體測試 46
3.2-5 Co3O4材料層的感測測試 46
3.2-6 Co3O4感測材料層對不同氣體的感測測試 49
3.2-7 Co3O4和Au/Co3O4對CO的靈敏度測試 52
3.2-8 Au/Co3O4感測材料層對不同氣體的感測測試 52
3.3 未來研究方向 57
第四章 結論 61
第五章 參考文獻 62
表 錄
表1-1 空氣中CO濃度對人體的影響 3
表1-2 不同類型氣體感測器的比較 9
表1-3 固態離子導體(YSZ)電化學式的CO氣體感測器文獻 11
表1-4 半導體式的CO氣體感測器文獻 12
表2-1 實驗藥品 18
表2-2 程溫還原系統之配件 21
表2-3 製作氣體感測器所使用的藥品及儀器 28
表2-4 感測器的氣體測試所使用的配件 30
表3-1 不同金屬氧化物對CO測試的結果比較 41
表3-2 Co3O4和Au/Co3O4的測試結果比較 58
圖 錄
圖1-1 n-type半導體氧化物的電阻隨電子空洞數目變化圖 7
圖1-2 CoOx樣品催化活性圖 14
圖1-3 Au/CoOx樣品催化活性圖 15
圖2-1 程溫還原分析裝置圖 20
圖2-2 SES(YSZ)感測頭的結構 24
圖2-3 SES(YSZ)感測頭 25
圖2-4 SCS感測頭的結構 26
圖2-5 SCS感測頭 27
圖2-6 氣體測試實驗裝置圖 29
圖2-7 SCS的量測線路圖 32
圖3-1 CoOx的程溫還原圖 35
圖3-2 Co3O4在空氣中的TG/DTA圖譜 36
圖3-3 Au/Co3O4材料在300 ℃，對1000 ppm CO的感測測試結果圖 38
圖3-4 不同的感測材料層對1000 ppm CO的測試結果圖 40
圖3-5 Co3O4材料對1000 ppm不同氣體的感測測試圖 42
圖3-6 Au/Co3O4材料對1000 ppm不同氣體的感測測試圖 44
圖3-7 Au/Co3O4材料靈敏度隨CO濃度和感測溫度的變化情形 45
圖3-8 YSZ的氧離子導電度對溫度的影響 47
圖3-9 Co3O4材料在80 ℃，對1000 ppm CO 的感測測試結果圖 48
圖3-10 Co3O4材料在80 ℃，靈敏度隨CO濃度的變化情形 50
圖3-11 Co3O4材料對1000 ppm不同氣體的感測測試圖 51
圖3-12 Co3O4的電阻在空氣和CO中的差異隨溫度變化的情形 53
圖3-13 Co3O4和Au/Co3O4對1000 ppm CO的靈敏度測試 54
圖3-14 Au/Co3O4的電阻在空氣和CO中的差異隨溫度變化的情形 55
圖3-15 Au/Co3O4材料對1000 ppm不同氣體的感測測試圖 56
圖3-16 材料層的結構圖 60

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