介孔氧化物孔结构调控与其湿度传感性质的关系研究

Mesoporous oxide ( MO ), due to that its large surface area and ordered porous structure can provide more adsorption sites and diffusion channels for water molecules, has become one kind of popular humidity sensing materials in recent years. However, the present research mainly concentrates on the exploration of different MO humidity sensing materials. The basic science problem of the interaction between water molecules and pore wall or the adsorption and diffusion kinetic behavior of water molecules in mesopores remains to be solved. In this proposal, we suggest a new opinion that'Pore structure, surface property of MO materials have great influences on the diffusion behavior of water molecules'.MO materials with different pore structure will be synthesized mainly by template method. Relationship between mesoporous structure parameters (such as pore size, pore size distribution, connectivity and so on)、surface property of MO materials and their humidity sensing performance will be systematically studied. We also assemble equipment by combining the thermogravimetric analyzer and a humidity generator. This equipment is used to study the adsorption-desorption and diffusion process of water molecules in mesopores with different structure. The diffusion equation of water molecules will be established according the experimental data under the aid of numerical simulation method. And then, humidity sensing mechanism of MO materials will be explored.

介孔氧化物（MO）由于其大的比表面积及有序孔道可为水分子提供更多吸附活性点及扩散通道而成为近年来颇受关注的一类湿度传感材料。 但目前研究多集中在探索不同的MO湿敏材料上。而关于水分子与孔壁的相互作用及其在孔道中的吸附、扩散动力学行为的基础科学问题还有待解决。本项目在前期工作基础上，提出"介孔孔道结构、孔壁表面性质会影响水分子扩散动力学进而影响其湿敏性质"的观点。以模板法为主，水热/溶剂热法为辅控制合成具有不同孔结构的MO材料，研究介孔结构参数（如孔径尺寸、孔分布、孔的空间结构等）及孔表面性质调控与MO材料湿敏性能之间的关系。并自行搭建热重-湿度联动装置来研究不同相对湿度下水分子在不同孔道结构中的吸附、扩散规律；利用计算机数值模拟拟合实验数据来研究水分子在材料中的吸附、扩散过程；进而阐明MO材料的湿敏机理，为设计具有高性能的湿度传感器材料提供理论及实验依据。

有序介孔氧化物，由于其较大的比表面积及有序的孔道结构，可为气体分子（包括水气分子）的吸附提供更多活性点的同时，也为其提供更多的扩散通道，从而在气敏、湿敏传感器中表现出优异的性质。在项目的资助下,主要做了如下工作:①介孔孔道结构的控制以及孔道结构对湿敏性能的影响;②介孔孔径尺寸大小的控制及其对湿敏性能的影响;③介孔孔径分布控制及其对湿敏性能的影响;④孔道表面修饰对其湿敏性能的影响。得到如下结果：Ⅰ）在二维六方、三维六方、三维立方和无序相四种不同孔道结构的分子筛中，具有三维立方及三维六方-立方共生相的分子筛其湿敏灵敏度及线形度相对较高，说明孔道结构的连通性对于提升湿敏性能起关键作用。Ⅱ）孔径越小，材料湿敏灵敏度越高。根据开尔文公式，在相同的相对湿度压力下，材料孔径越小，越容易通过毛细凝聚作用吸附水分子，提高了材料的电导能力，进而提高灵敏度。Ⅲ）多孔材料表面亲水化处理有助于降低材料阻抗，近而在相同的湿度检测范围内表现出较大的灵敏度。该工作对于开发基于多孔材料的湿敏传感器具有实验指导意义，同时，为探索气体分子在多孔材料中的传输机制积累了积极的实验数据。