复合金属氧化物空心球的设计及其气敏增强作用

本项目针对半导体氧化物气敏材料存在的弱点，通过结构设计、可控合成、性能分析的系统研究，开发复合金属氧化物空心球气敏材料。通过增大比表面积，提高对气体的敏感性；构筑多级结构，缩短对气体的响应时间；创制纳米复合，提高对气体的选择性和低温敏感性，从本质上解决问题。首先设计具有大比表面积和多级介观结构的材料，如核壳结构的空心球或多壳层空心球；通过模板法、自组装法等实现空心球的可控合成；并对制备的复合金属氧化物空心球的气敏性能进行系统研究，并将研究结果反馈对介观结构设计进行修正，最终获得高效气敏材料的合成规律以及气敏材料的构效关系，为实现高效传感器的创制，解决我国的环境问题做出贡献。

项目执行三年以来，主要取得了如下成果：.（1）以碳球为模板，创造性地发展了一种制备金属氧化物多壳层空心球的普适方法，制备了壳层层数和组成可控的多种金属氧化物空心球，包括α-Fe2O3、ZnO、NiO、Co3O4、CuO、ZnFe2O4以及Fe2TiO5/α-Fe2O3纳米复合空心球等；进一步通过对热处理方式的调控，实现了对空心球壳层间距的控制，制备了最外两壳层相邻的ZnO多壳层空心球，开辟了金属氧化物多壳层空心球制备的新途径。.（2）通过对反应体系溶剂、络合剂和反应时间的调控，采用水热自组装法制备了由纳米棒组装而成的α-Fe2O3多孔空心微球；探讨了反应时间、EDTA用量等因素对微球形貌与结构的影响规律，为多孔空心球的制备提供了新思路。.（3）将微乳液法制备纳米粒子和光诱导聚合法相结合，制备了双介孔α-Fe2O3微球，该微球是由粒径均一的α-Fe2O3纳米晶粒组装而成的，具有较大的比表面积和丰富的介孔孔道，开创了制备大比表面积金属氧化物微球的新方法。.（4）α-Fe2O3多壳层空心球独特的传输性能使之对乙醇的灵敏度并不随比表面积，而是随壳层数的增加而提高，空心结构为气体提供了理想的扩散通道，具有快速的响应-恢复特性；Fe2TiO5/α-Fe2O3纳米复合空心球，由于纳米复合降低了晶界电阻，通过选择适合的Ti/Fe比，能显著改善材料的灵敏度和选择性；α-Fe2O3双介孔微球由于具有较大的比表面积，双介孔结构有利于气体的传输，应用于甲醛的气敏测试显示了较高的灵敏度。.本项目通过设计与可控合成具有大比表面积和多级介观结构的材料，并通过对材料气敏性能的系统研究，充分证明了：增大比表面积，能够提高材料对气体的敏感性；构筑多级结构，能够缩短材料对气体的响应时间；创制纳米复合，能够降低晶界电阻，在提高材料灵敏度的同时改善了对气体的选择性；最终获得了影响气敏性质的关键结构因素，为气敏材料和传感器的研发奠定了坚实基础。.项目执行以来，发表SCI论文14篇，其中影响因子大于7以上7篇，包括Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano, Energy Environ. Sci.、Small 和Chem. Mater.等国际知名期刊；申请中国发明专利9项；培养博士后2名（已出站），博士研究生11名（毕业7名），硕士研究生3名（毕业2名）。