α-Fe2O3纳米结构材料的设计合成及其气敏性能研究

Based on the weakness of α-Fe2O3 as a gas sensing material, this project aims at developing high-efficiency α-Fe2O3 gas-sensing material with special nanostructures by systemic studies on structure design, controlled synthesis and property analysis. By building mesoporous or hollow structures, we can increase specific surface area, add active sites on the surface, enhance gas sensitivity, strengthen matter transporting and reduce response-recovery time. By combining with multiple metal oxide, its selectivity and low-temperature sensitivity can be improved and solve its weakness essentially. First, we design α-Fe2O3 nanomaterials with high specific surface area, such as mesoporous structures, core-shell hollow spheres, et al. In addition, template method or hydrothermal synthesis can be used to mesoporous or hollow structures. Then we investigate systematically the gas sensing properties of the as-prepared metal oxide nanostructures. Meanwhile, the results bring positive feedback to the structure design and synthesis method. Finally, high-efficiency α-Fe2O3 gas-sensing material is prospective and structure-effect relationship is revealed. This project will support a solid foundation for the future α-Fe2O3 gas sensor preparation and environment problem solution.

本项目针对α-Fe2O3气敏材料存在的弱点，通过结构设计、可控合成以及性能分析的系统化研究，开发具有特种纳米结构的α-Fe2O3高效气敏材料。通过构筑介孔或空心结构，增大比表面积、提高表面活性位点、增强气体敏感性，强化物质传输、降低响应恢复时间；利用多元金属氧化物复合，提高对气体响应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的纳米材料，如介孔或核-壳型空心球等；通过模板法、水热自组装法等制备出介孔或空心结构；系统研究所制备的金属氧化物介孔或空心结构的气敏性能，并利用实验结果进一步修正结构设计与合成方法，最终获得高性能α-Fe2O3气敏材料，探明α-Fe2O3气敏材料的构效关系，为实现高效α-Fe2O3气敏传感器的制备和解决我国环境问题提供一定基础。

本项目针对α-Fe2O3等金属氧化物气敏材料存在的弱点，通过结构设计、可控合成以及性能分析的系统化研究，开发了具有特殊纳米结构的α-Fe2O3等金属氧化物高效气敏材料。以表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）为软模板，采用水热法制备得到了核壳结构的α-Fe2O3。其气件对甲醛和乙醇气体气敏性能的增强；以碳微球为模板，利用碳微球具有多种功能基团可以吸附金属离子的这一特点，采用吸附、煅烧的方法制备了多种具有多层空心结构的金属氧化物微球如：α-Fe2O3，TiO2和Co3O4；采用溶剂热法制备了大比表面积的多级介孔结构的Fe3O4微球。多级介孔结构Fe3O4微球气件对甲苯气体有着优异的选择性和高的灵敏度。另外，制备不同孔径的KIT-6，并以KIT-6为模板采用纳米浇注方法制备了的壁厚和孔径可控的氧化镍有序介孔材料，以碳微球为模板，采用吸附、煅烧的方法制备了大比表面积介孔空心结构的In2O3微球。所制备的介孔NiO气敏元件和空心结构的In2O3制作的气敏元件对甲醛（HCHO）有高的灵敏度和优异的选择性及快速的响应时间。我们还采用金属有机化合物为前驱体，制备了介孔CoFe2O4纳米材料，由于CoFe2O4大的比表面和介孔结构，在测试气体丙酮中提供有更多反应活性点，所准备的CoFe2O4气敏元件对丙酮气敏增强，可以应用于气敏材料。此外，我们还制备介孔In2O3-CoFe2O4@SiO2和CoXNi1-xFe2O4等纳米结构材料。所准备的纳米结构材料气敏元件对丙酮气体有良好的选择性、高的灵敏度和快速的响应/恢复时间，是优异的气敏材料。.总之，通过构筑介孔或空心结构，增大比表面积、增多表面活性位点、增强气体敏感性，强化物质传输、降低响应恢复时间；利用多元金属氧化物复合， 提高对气体响应和选择性以及低温敏感性，从本质上解决了传统气敏材料存在的弱点。首先设计具有大比表面积的纳米材料，如介孔或核-壳型空心球等；通过模板法、水热自组装法等，制备出介孔或空心结构；系统地研究了所制备的介孔或空心结构的金属氧化物的气敏性能，并利用实验结果进一步改进了结构设计与合成方法，最终获得高性能的α-Fe2O3等金属氧化物气敏材料，探明了金属氧化物气敏材料的构效关系，为实现制备高效α-Fe2O3等金属氧化物气敏传感器和解决我国环境问题提供一定基础。