TiO2-MoS2纳米同轴异质结构的形成机制及气敏特性

Due to the shortage of single-phase TiO2 nanotubes in the presence of gas sensing performance, such as lower selectivity, high working temperature and poor stability, nano-coaxial shape of TiO2-MoS2 n-n heterojunction is proposed to improve the sensitivity and selectivity, and shorten the response/recovery time at the lower working temperature. TiO2-MoS2 heterojunction structure was obtained by using n-type TiO2 nanotubes as a substrate to generate the n-type MoS2 one-dimensional nanorods. On the basis of designing TiO2-MoS2 n-n heterojunction, the interaction and interface binding properties between TiO2 nanotube and MoS2 nanorods as well as the effect of introduction of the second phase MoS2 rod-like structure on the thermal stability, gas selectivity and sensitivity of gas sensors are studied as the starting point. The aim of this project is to reveal the formation mechanism of MoS2 rod array induced by TiO2 nanotubes and to establish a correlation between gas sensing and the synergistic effect of the content of each component of the TiO2-MoS2 heterojunction. Besides, the atomic and electronic structures of sensing material in gas sensing reaction are studied. A complete model of sensing mechanism is established, which can provide theoretical guidance for the further development of new gas-sensitive materials of n-n heterojunction.

针对单一相结构TiO2纳米管在气敏性能存在选择性差、工作温度高及稳定性不好等方面的不足，本项目提出了以TiO2纳米管作为基体，诱导生成n型半导体MoS2的一维纳米棒，得到具有纳米同轴电缆形n-n异质结构的构想，从而保证传感器在相对较低的工作温度下具备较好的灵敏度，并可有效缩短响应恢复时间，达到提高气体选择性的目的。在设计TiO2-MoS2异质结构的基础上，以研究TiO2纳米管与MoS2纳米棒之间的相互作用和界面结合特征以及引入第二相MoS2棒状结构对气敏元件热稳定性、气体选择性及灵敏度等方面影响为切入点，揭示TiO2纳米管原位诱导生成MoS2棒状结构的内在机理；建立TiO2-MoS2异质结构各组分含量的协同效应与气敏性之间的相关性。研究气敏反应过程中气敏材料的原子及电子结构信息，建立完整的气敏机理模型，为进一步开发新型n-n异质结构气敏材料提供理论指导。

针对单一相结构TiO2纳米管在气敏性能存在选择性差、工作温度高及稳定性不好等方面的不足，本项目提出了以TiO2纳米管作为基体，诱导生成n型半导体MoS2的一维纳米棒，得到具有纳米同轴电缆形n-n异质结构的构想，从而保证传感器在相对较低的工作温度下具备较好的灵敏度，并可有效缩短响应恢复时间，达到提高气体选择性的目的。项目在执行期间主要完成两方面的工作，（1）采用两步法成功实现了TiO2-MoS2纳米同轴异质结构并探索了异质结构的有效合成方法，并对其形成机理做了深入研究。（2）对TiO2-MoS2纳米同轴异质结构的气敏性能进行了系统的评价，初步建立了不同组元成分、组分含量与气敏性能的相关性，阐明了复合机理及各组分的相互作用，为进一步开发新型气敏材料提供了理论依据。此外，在本项目基金的支持下，我们还设计合成了三维大孔La1-xMgxFeO3、In2O3-CNT 以及Pt-ZnWO4纳米棒等气敏材料，通过组装气敏原件对其进行了气敏性能评价。