VO2纳米团簇的可控制备及氢气传感应用研究

The current project plans to realize controllable preparation of VO2 nano-clusters by our “high-resolution mass-selective cluster beam facility and in-situ catalysis characterization” system, and investigate the correlation between cluster-size and VO2 metal-insulator transition. Based in-situ catalysis characterization system, we further investigate the dynamic process of H2 reaction/desorption with VO2 nano-clusters, and reveal the dependent relation between electrical transport property of VO2 nano-clusters and concentration, partial pressure of H2. Combining with first-principle calculation, the H2 reaction/desorption mechanism with VO2 nano-clusters could be better understood, which could provide the theoretical guidance and experimental data for the application of VO2 nano-clusters in H2-sensor material. . Our project will not only have the important scientific significance in fundamental research for understanding VO2 phase transition mechanism, electron-electron correlation energy in strong correlated material, but also have great value for promoting the applications of VO2 in gas sensor.

本项目拟利用“高分辨质量选择团簇束流实验装置及在线催化测试”系统，实现VO2纳米团簇的可控制备，研究团簇尺寸与金属绝缘相变的关联；借助在线催化装置，研究VO2纳米团簇与H2气反应、气体脱附动力学过程，揭示VO2纳米团簇电输运特性与H2气浓度、分压的变化关系。结合第一性原理计算，理解VO2纳米团簇与H2吸附、脱附机理，为VO2纳米团簇在H2气传感中的应用提供理论指导及实验数据。. 本课题的开展，不仅在基础研究方面，理解VO2相变机理、强关联体系中电子关联能具有重要的意义，同时推动VO2在H2气传感中的应用具有重要价值。

由于团簇的团聚现象，高纯VO2纳米团簇的制备仍然是一项非常困难的工作。在本项目中，我们利用气相纳米团簇设备制备了分散良好、直径5nm的VO2团簇。并且这种分散良好的VO2纳米团簇表现出良好的红外响应，表现出一种良好的红外探测材料；此外，本项目提供了一种简易的方法，实现了氧空位与氢共同掺杂的VO2薄膜材料的制备，并且通过控制缺陷可以有效调节VO2临界转变温度，同时保持了VO2良好金属绝缘转变特性。结合第一性原理计算， 详细研究H掺杂对VO2晶格结构的影响。进一步结合能效测试实验，缺陷调控的VO2薄膜具有明显的节能效率，大大推进VO2薄膜在建筑节能领域应用；利用还原性物质与VO2相互作用，快速实现大量氢掺杂VO2薄膜制备；利用离子液体，实验氧化铋金属绝缘转变。结合XRD及界面TEM分析，系统研究电解质场效应对Bi2O3薄膜结构、电输运影响，并提出新的机理解释金属绝缘转变机制，丰富了电解质场效应机理解释。