基于氧化钛薄膜对多组份气体选择性灵敏探测和反应机理研究

This project will aim at the sensing properties study based on the TiO2 thin film sensor materials in the mixed gases containing the same type of various testing gas. The project focuses on using molecular mechanics and molecular dynamics method to study the same type testing gas mixture molecules adsorption and desorption process on the material surface and gas molecular dynamics behavior. On this basis, based on density functional first principle, research and calculate the power function and electronic properties to the interaction of film materials and gas molecular. Realize the targeted material preparation and design to gas sensitive film materials through controlling the material microscopic structure,in order to increase the effective response area of the film, improve sensitivity and resolution, shorten response time and recovery time and lower operating temperatures for the purpose. The project intends to solve three main restricting development key problems of sensor. The first is to break through the question of sensing materials in same type of various testing gas to single gas precise selection measurement. The second is to achieve a targeted design of sensing material under certain specific environment. The last is greatly improved sensor parameters. Achieve to fabricate specific TiO2 sensing film adapting the actual work environmental which can detect single gas content sensitively in mixed gases. Make the TiO2 gas sensor materials have an extensive use in automobile exhaust detection, environmental testing, energy conservation and emission reduction.

本项目针对基于TiO2薄膜传感器材料对混合气体中含有同类型的多种检测气体的传感特性进行研究。重点运用分子力学和分子动力学方法研究同类型检测气体分子在材料表面吸附与脱附过程和分子动力学行为，在此基础上运用基于密度泛函的第一性原理，在原子层次理论研究和计算薄膜材料与气体分子相互作用的功函数和电子性质。实现通过控制材料微观结构来针对性制备与设计气敏薄膜材料，以增加薄膜有效反应面积，控制传感材料工作温度，提高传感材料灵敏度和分辨率，缩短响应时间和恢复时间为目的。本项目拟解决突破传感材料在同类型多种检测气体中对单一气体精确选择测量、对特定环境针对性的传感材料设计和大幅度提高传感参数等三个主要制约传感器发展的关键问题。实现能根据实际工作环境要求，制备在同类型多组份的混合气体环境中灵敏检测单一气体含量的TiO2传感薄膜，使基于TiO2气体传感器材料在汽车尾气检测，环境检测，节能减排方面有更广泛的用途。

本项目针对基于TiO2薄膜传感器材料对混合气体中含有同类型的多种检测气体的传感特性进行研究，重点运用分子力学和分子动力学方法研究同类型检测气体分子在材料表面吸附与脱附过程和分子动力学行为，在此基础上运用基于密度泛函的第一性原理，在原子层次理论研究和计算薄膜材料与气体分子相互作用的功函数和电子性质。实现通过控制材料微观结构来针对性制备与设计气敏薄膜材料，以增加薄膜有效反应面积，控制传感材料工作温度，提高传感材料灵敏度和分辨率，缩短响应时间和恢复时间为目的。.本项目主要研究TiO2块体材料和薄膜表面的电子行为以及气体分子在薄膜表面的分子动力学行为，采用Hartree-Fock自洽场近似法、密度泛函理论和分子轨道理论的半经验方法，针对TiO2薄膜表面对还原和有机气体的吸附能，吸附性质、吸附位置，吸附稳定性、电子迁移性质、能带结构、电子态密度、原子轨道杂化、晶型畸变、键能键长变化等问题深入分析，对影响传感性质的原因给出理论预言。在理论研究成果的指引下，有针对性的进行材料制备研究，并尽可能的运用先进制备技术来增加材料的比表面积，从而设计出针对还原性气体和有机气体灵敏传感的优质TiO2气敏传感薄膜，并对其传感机理进行总结，归纳还原和有机气体分压与薄膜表面电导率的关系。.本项目实现能根据实际工作环境要求，制备在同类型多组份的混合气体环境中灵敏检测单一气体含量的TiO2传感薄膜，使基于TiO2气体传感器材料在汽车尾气检测，环境检测，节能减排方面有更广泛的用途。.本项目圆满完成申报书的计划和要求，即研究了计划书和申请书中研究内容方面的5个主要内容。在三年的研究时间中，按照计划书的内容分步骤分阶段的进行研究，总计发表论文21篇，其中SCI收录论文8篇，EI收录论文7篇，CSCD收录论文6篇，培养研究生8名。申报书中所提及的各个重点研究内容均有相应的论文发表。执行情况顺利，圆满完成申报书中提及的任务要求和考核要求。