基于异质纤维网状多级材料的低浓度VOC气体传感器研究

检测低浓度甲醛等挥发性有机化合物（VOC）已成为人们创造绿色居住环境日益迫切和广泛的需求。半导体传感器具有成本低、功耗小、可集成、使用方便等优点，是满足这一需求的最佳选择。然而，半导体传感器对低浓度VOC气体灵敏度很低，严重限制了其应用。本项目拟提出一种新型双向电场多喷头静电纺丝技术，构筑具有n-p、n-n、p-p等异质界面的新型复合交织纤维网状多级材料，制作气体传感器。其可行性在于异质纤维网状多级材料能够同时实现增多气体孔道和形成异质界面两个目的，从而使吸附气体后敏感材料载流子浓度的变化增大，显著提高对低浓度VOC气体的灵敏度。本项目拟深入研究异质纤维网状多级材料的组成、形态、界面等因素与元件灵敏度的关系，揭示不同复合材料对不同气体的感知机理，建立和完善双向电场多喷头纺丝技术制备异质纤维网状多级材料的新方法，为设计和制作对<1ppm甲醛等VOC气体灵敏度≥5的高性能传感器奠定坚实基础。

针对半导体传感器对低浓度甲醛等挥发性有机化合物（VOC）气体响应较低的缺点，本项目拟采用一种新型双向电场双喷头静电纺丝技术，构筑异质界面复合纤维多级材料并制作气体传感器。本项目主要研究新型双向电场双喷头静电纺丝技术，制备异质纤维气敏材料的工艺条件及多级材料的形成机理，静电纺丝纤维运动轨迹的建模仿真，传感器的响应、选择性等性能，敏感机理等。. 重要结果包括：（1）开发了双向电场双喷头静电纺丝制备氧化物多级异质纤维材料的技术（已获批专利）。用双喷头方法制备SnO2/In2O3、TiO2/ZrO2、TiO2/In2O3等复合异质纤维敏感材料；采用单喷头混合溶液制备SnO2-ZnO、CTO（Cr1.95Ti0.05O3）等混合异质纤维；采用水热和模板法制备SnO2、Zn2SnO4、La1-xSrxFeO3等多级敏感材料；研究了材料的形成机理。（2）测试了气敏材料对甲醛、乙醇、丙酮、甲苯、甲醇、氨气等VOC气体的敏感性能，包括工作温度、响应值、响应恢复时间、选择性、稳定性等。SnO2/In2O3复合异质纤维材料传感器对甲醛的响应远高于SnO2和In2O3元件，并具有很好的选择性。SnO2-ZnO纤维对甲醇有很好的敏感性能，Y掺杂的ZnO纤维对丙酮响应很高，Pd掺杂的SnO2对甲苯的响应和选择性都很好。柚子皮模板法制备的SnO2材料对1ppm甲醛的响应值达到16.7，远高于本项目的预定指标（1ppm响应值5），并具有很好的选择性。（3）首次用Matlab 与Comsol联合仿真方法对静电纺丝过程中纤维的运动轨迹进行建模和仿真，给出不同电场情况下纺丝的轨迹，为纺丝实验提供有益的参考数据。（4）用第一性原理研究了氧化物吸附甲醛的模型，从异质材料的晶界势垒和能带结构研究传感器敏感机理。. 本项目制备的敏感材料性能已经达到并超过预定目标，对1ppm甲醛的响应灵敏度为16.7，对0.1ppm甲醛响应灵敏度达到7.4，并具有很好的选择性。研究对低浓度VOC气体响应高、选择性好的氧化物半导体传感器对检测和监测空气质量、保障和提高人们的生活质量具有重要社会意义。同时，研究各种敏感材料的形成机制、异质材料与气体作用时晶界及能带的变化规律以及敏感机理等具有重要的科学意义。