基于氧空位改性的分级结构TiO2/SiC纳米高温气敏纤维

The high-temperature gas sensors have captured numerous attentions owing to its great potential for applying in various fields, such as aerospace, nuclear industry, energy and so on. The aim of this project is to constructing hierarchical TiO2 ultrathin nanosheets/SiC nanofibers by vertically growing TiO2 ultrathin nanosheets on the electrospun SiC nanofibers. To further enhance the sensitivity, selectivity and stability of the fibers, a novel flame reduction method is used to rapidly introduce oxygen vacancy in the TiO2 ultrathin nanosheets. The factors to controllably synthesis of the hierarchical TiO2 ultrathin nanosheets/SiC nanofibers will be discussed. The influences of surface modification strategies of SiC nanofibers and progress parameters on the composition and structure of the fibers, the confined transfer of charge carriers at the interface of TiO2 and SiC and the relatively amount of oxygen vacancy in the TiO2 will be studied in detail. It will be paid more attentions to study how the fiber-type hierarchical structure, the crystal sized and structure of TiO2 nanosheet, SiC and the oxygen vacancy in TiO2 to affect the high-temperature gas sensing performance and the transport behavior of charge carriers at the interface of TiO2 . Finally, the mechanism of the sensing performance affected by the synergetic effect of nanoheterojuction and oxygen vacancy will be disclosed. The project is beneficial to develop novel gas sensing materials for high-temperature application due to its significance in theory and application in reality.

高温气体传感器在航空航天、核工业和能源等领域有着广阔的应用前景。本项目通过水热法在静电纺丝法制备的SiC纳米纤维骨架上直立生长TiO2超薄纳米片，构建分级结构TiO2纳米片/SiC纳米纤维，并采用火焰还原法在TiO2纳米片表面快速引入适量氧空位，提高纤维的敏感性、选择性和稳定性。系统研究TiO2纳米片/SiC纳米纤维的可控制备条件，SiC纤维表面修饰方法和分级结构纳米纤维制备工艺条件等对其组成结构、TiO2表面氧空位含量TiO2与SiC界面载流子限域传输和TiO2与SiC界面载流子限域传输的影响。重点研究纤维型分级结构、TiO2纳米片晶粒尺寸和晶体构型、TiO2与SiC之间界面载流子输运特性和氧空位等对纤维高温气敏性能的影响规律，揭示纳米异质结耦合效应和氧空位对气敏性能的影响机制。本项目对新型高温传感材料的研发及应用具有重要的理论和实际意义。

本项目针对航空宇航、能源和化工等极端环境（高温、腐蚀性和高喷焰速度等）中对耐高温气体传感器的需求，开展了基于氧空位改性的分级结构TiO2超薄纳米片/SiC纳米纤维及其高温气敏传感机制研究，主要研究内容包括：SiC纳米纤维的表面改性及分级结构TiO2超薄纳米片/SiC纳米纤维的构筑；火焰还原法在TiO2 超薄纳米片表面快速引入氧空位及其调控；分级结构TiO2超薄纳米片/SiC 纳米纤维的气敏性能研究等三个方面。项目首先通过静电纺丝结合碳热还原法，成功制备出具有高比表面积的介孔SiC纳米纤维，并通过水热溶液处理和高温氨气处理两种方式对SiC 纳米纤维表面进行改性接枝功能性基团。然后采用水热法制备了暴露不同（001）晶面比例的TiO2纳米片，阐明了（001）晶面是高活性氧化性晶面，对提高还原性气体气敏响应值的机制。在此基础上，突破了分级结构TiO2超薄纳米片/SiC纳米纤维制备技术，制备的TiO2纳米片厚度小于5 nm，在SiC纳米纤维上均匀生长为纳米片阵列。进一步通过火焰法实现了分级结构TiO2超薄纳米片/SiC异质结纳米纤维N元素掺杂和氧空位等组成和结构的调控，研究了纤维组成结构对气敏性能的影响规律及其影响机理，纤维在350℃下对100ppm丙酮的响应值为16.9，在500℃高温下响应值仍高于13，其响应/恢复时间仅为3s/8s，且具有优异的气敏选择性和气敏重现性。此外，项目还采用火焰法制备出富氧空位的Co掺杂CeO2纳米纤维，在200℃下对500ppm一氧化碳的响应值为3.8。本项目成功探索出一种富氧空位纳米金属氧化物/纳米纤维异质结复合纤维制备技术，发表SCI论文15篇（含代表性一区论文5篇），申请/授权专利5项，出版学术专著1部，参加国内外学术会议6次，培养研究生3名，达到了项目预期的研究目标。