多级结构氧化钼基复合材料的气敏增强作用与机理研究

Metal oxide semiconductors are the focus of gas sensing materials in the gas sensor area. However, the sensors based on low-dimensional and pure metal oxides usually have the defects of high working temperature and poor gas selectivity. The design and synthesis of mental oxides and their composites with hierarchical structures can improve the conductive capability and selectivity of the composites. It is expected to obtain new gas sensing materials with multiple excellent properties. In this project, the controlled construction of molybdenum oxide composites with hierarchical nanostructures will accomplish by wet chemistry method. The influencing mechanism of material component, building unites and hetero-interface to gas sensing properties will be studied. The X-ray photoelectron spectroscopy, in situ infrared spectroscopy, chromatography and electrochemical testing will be combined with the gas sensing properties to explore the physical and chemical rules in the process of the reaction between the composites and the gases, as well as to reveal the gas sensing mechanism from theoretical and microscopic levels. The constructional mode of hetero-structure, component and morphology will be carefully regulated according to the gas sensing detection. Thus, the optimal design of high selective and stable gas sensors will be accomplished to push the practical application process of molybdenum oxide composites with hierarchical nanostructures in gas sensor area.

金属氧化物半导体材料是气体传感器领域中敏感材料的研究热点。基于低维、纯相金属氧化物的气体传感器存在工作温度较高、气体选择性差等缺点，设计合成具有多级结构的氧化物及其复合材料，可提高材料的导电能力和选择性，获得兼具多种优良性能的新型气敏材料。本项目拟采用简单的湿化学法，实现对氧化钼基复合材料多级结构的可控构筑。研究复合材料组分、构筑单元、异质界面等对气敏性能的影响机制；将常压光电子能谱、原位红外光谱、色谱、电化学测试与气敏性能研究相结合，探讨材料与气体作用过程的物理、化学规律，从理论和微观层次揭示气敏机理；以气敏检测为功能导向，精细调控材料的异质结构构筑方式、组成和形貌，实现高选择性、稳定性敏感器件的优化设计，以推动多级结构氧化钼基复合材料在气体传感器领域的实用化进程。

氧化钼是气体传感器领域中敏感材料的研究热点，目前，氧化钼纳米材料在该领域的研究主要集中于对其低维材料的制备及其气敏性能的探索。虽然基于氧化钼的气体传感器对很多气体有很高的灵敏度，但是在其实际应用中，操作温度相对较高、恢复时间较长仍是亟待解决的问题。设计合成具有多级结构的氧化物及其复合材料，可提高材料的导电能力和选择性，获得兼具多种优良性能的新型气敏材料。由于氧化钼为酸性氧化物（路易斯酸），在水热/溶剂热法制备氧化钼及其前驱体时，酸性介质一般是必不可少的。 而用常规金属氧化物（如ZnO、CuO、NiO和In2O3等）功能化α-MoO3容易形成碱性环境，因为这些金属氧化物在水溶液中会水解产生相应的氢氧化物。而在碱性条件下，氧化钼材料又会溶解，使本体材料的多级结构遭到破坏。因此，本项目基于α-Fe2O3可以在酸性条件生成的原理，选取乙酰丙酮铁为铁源，通过调节体系pH值、反应时间和反应温度等控制异质结构材料的形貌和构建方式，一步溶剂热法制备了系列α-Fe2O3/α-MoO3微球材料，解决了多级结构α-MoO3与其他金属氧化物复合时，体系要求严格控制在酸性范围的关键问题。将合成的α-Fe2O3/α-MoO3微球复合材料组装成气敏元件，提高了对还原性气体苯胺（ANI）的灵敏度、加快响应/恢复时间、降低最佳工作温度和检出限。此α-Fe2O3/α-MoO3传感器可以监测化学工业污染中ppm或ppb级别的ANI气体。项目还研究了n-n型异质结复合材料对氧化性及还原性气体的气敏性质及响应机理，建立了新型多级结构气体敏感材料的功能导向设计合成、气敏性能测试及机理分析的完整体系；为研究多级结构氧化物及其复合材料的气体敏感机制提供了大量的实验数据和参考；推动半导体金属氧化物复合材料在气体传感器领域的实用化进程。