新型分级结构氧化钨(钼)-石墨烯复合纳米材料的可控制备及在气敏传感器上的应用研究

Graphene is an excellent substrate material with some peculiar structure, physical and chemical properties for room temperature gas sensor. By using expanded graphene as carbon resource, under vacuum-assisted conditions, the heterogeneous composite materials of the surfactant polar groups and Tungstate ions (molybdate ion) connected to the surface of graphene. By changing the kinds and the amount of the Tungstate ions (molybdate ion), the surfactant, the morphology, crystal structure, size of the semiconductor metal oxides with different work function and the heterogeneous structure way between the graphene substrate and hierarchical structure tungsten oxide (molybdenum oxide) are controlled. The structure and the mechanism of how the components influence the material properties are characterized by the methods of XRD, SEM and TEM. Combined with results of structural characterization, electrochemical analysis and gas sensing performance, the nature of the interaction between tungsten oxide (molybdenum oxide) with different work function and the graphene, the relationship between the structure, electrochemical performance and the gas-sensing properties are revealed. The mechanism of gas sensitive sensor at the room temperature is discussed. This project intends to explore the effective way to the design based on different work function of tungsten oxide (molybdenum oxide)/graphene heterostructure with high sensitivity, high selectivity room temperature gas sensing material, to promote the practical application process of the graphene based composites in the field of room temperature gas sensors.

石墨烯具有独特的结构和物理化学性质是室温气敏传感器优良的载体材料。以膨胀石墨作为碳源，辅以真空压力诱导法，使表面活性剂极性基团与钨酸根(钼酸根)离子相连接的异质材料复合到石墨烯的表面。通过改变钨酸根(钼酸根)离子浓度、调控表面活性剂的种类和用量，实现对分级结构氧化钨(钼)的形貌、晶型、尺寸以及与石墨烯载体之间建立异质结构方式的调控。利用XRD、SEM、TEM等方法研究复合纳米材料结构、组分对性能的影响机制。结合结构表征、电化学测试以及气敏性能研究结果，揭示氧化钨(钼)与石墨烯之间的相互作用本质，结构、电化学性能以及气敏性能之间的关系、探讨室温气敏传感的机理。本项目拟探索设计基于分级结构氧化钨(钼)-石墨烯的高灵敏度、高选择性室温气敏材料，以推动新型石墨烯基复合材料在室温传感器领域的实用化进程。

开发高性能、低成本的气敏材料是推进气敏传感器商业化进程的有效方法。本项目围绕提高传感器的灵敏度、缩短响应-恢复时间，提高稳定性以及重复性这些亟待解决的难题，开展了新型气敏材料的设计制备、结构表征和性能测试等方面的工作。本项目合成一系列分级结构的钨（钼）气敏材料以及分级结构钨(钼)-石墨烯复合纳米材料。以膨胀或氧化石墨等作为碳源，将含有表面活性基团与钨酸根（或钼酸根）离子复合物分散到碳源中，并使酸根离子均匀的分布在载体材料的表面、层间和孔道中，经过一步水热合成法，使分级结构钨(钼)在石墨的层间以及表面生长，并同步剥离石墨层，最终制备出分级结构钨(钼)-石墨烯复合纳米材料。通过控制钨酸根(钼酸根)离子与表面活性剂的种类与用量，反应的温度、时间等实验参数以及实验条件，实现对复合纳米材料微观结构、形貌的调控。采用所合成的分级结构钨（钼）及其石墨烯复合纳米材料作为气敏传感材料，组装成气敏传感元件，分别研究其对于氧化型及还原型等有毒有害气体的气敏响应，研究纳米材料的微观结构对电化学性能以及气敏性能的影响，解释半导体气敏材料与石墨烯之间相互作用的本质、半导体类型、界面接触及电荷传输，阐述材料结构与性能的关系和本质，探索气敏传感过程机制。研究表明，石墨烯的加入除了可以作为二维结构导向剂制备分级结构的复合纳米材料，还可以增加复合材料的电子传输能力，增加气敏响应，缩短响应恢复时间。此外，在自然基金的支持下，本项目发展了一些新的合成半导体气敏材料方法，组装了高性能的半导体气敏传感器，同样开发所合成材料新的性能。同时，参加国内外学术会议 5 次，在国外学术期刊共发表SCI论文22篇、申请中国发明专利5项，授权1项，现已顺利的完成项目的研究任务。