痕量有机硫恶臭气体检测的人工光合作用机理及技术研究

The correct identification and sensitive response of trace gas components in complex backgrounds is always a difficult problem. Based on optimizing reported detection technologies, it is of great significance to explore new gas sensing mechanisms and to develop feasible detection methods. Artificial photosynthesis systems were only used to immobilize carbondioxide for producing organic materials, to produce hydrogen, and to make genetic modifications，but have not been used for gas sensing. this project proposes firstly the composite construction with ZnO/Ag and narrow-bandgap oxides as artificial photosynthesis system for detecting organic sulfur gas. The composite nanoconstruction is useful for reducing the photon energy requirement and inhibiting the recombination of photo-electron-hole pairs to improve the conversion efficiency of gas information. Based on the basic research of the synthesis and optimization of sensitive materials, the efficient separation of organic sulfur by chromatography and the construction of array sensors, the sensitive mechanism will be clarified. The sensor units with high sensitivity, selectivity and portability will be developed by using of ZnO/Ag-based composite materials. The abovestudy is of academic significance and practical value for expanding the application of artificial photosynthesis system.

在复杂背景中对痕量组份的正确识别和灵敏响应一直是气体传感器研究的热点和难点，在优化现有检测技术的基础上，探索新的气敏机理以及发展可靠易行的检测方法具有重要意义。人工光合作用机制过去仅用于固定二氧化碳制造有机物、光水解制氢和基因改造，尚未被用于气体传感。本项目以有机硫恶臭气体的检测为范例，率先提出ZnO/纳米银与窄带隙氧化物构筑人工光合作用材料体系，利用体系界面的双光子激发和低电阻欧姆接触，一方面抑制光生电子-空穴对的复合，提高光增强型气体传感器的灵敏度，发展室温工作的半导体气体传感器；另一方面降低对光子能量的需求，有望实现气敏响应的可见光增强。在此基础之上，发展该类传感器与微型色谱的联用技术，提高传感器的选择性。通过本项目的研究，将建立ZnO/纳米银复合材料体系的人工光合作用气敏增强机理与模型，对于拓展人工光合作用在气体传感器上的应用，具有重要的学术意义和应用前景。

本项目模拟植物光合作用过程构筑的半导体基气体敏感材料体系，通过优化制备探索其气敏传感机制进而实现室温条件下目标气体的高灵敏响应。本项目发现，负载的贵金属纳米颗粒在PSⅡ（Fe2O3）和PSⅠ（ZnO）的接触面上间形成低电阻的欧姆接触，降低了PSⅡ导带电子的传输阻力可使其导带上的电子快速与PSⅠ价带空穴复合，提高电子迁移率，延长了载流子寿命，半导体表面的光生电子浓度增大。因此该体系表面在空气气氛条件下形成更多的吸附氧，有利于传感器与目标气体间的电子交换，进而提高材料的气敏响应。本项目进一步对ZnO/Au/Fe2O3敏感材料体系进行深入研究，我们还发现Fe元素变价的转化有效提升光生电荷的转移效率，气敏响应明显增强。Fe2O3自身作为光热催化剂，吸收的光子一部分转为光电子，更多的则产生热电子，将吸收的光子能量转化成了热能。半导体自身产生的光热效应，促进目标气体分子的活化和加速光生电荷转移的速率。另外，本项目还利用水热法制备大比表面积的半导体二维纳米结构，为气敏反应提供更丰富的活性位点，有效提升光生电荷的转移效率。这些发现为我们更好地理解半导体基人工光合作用气敏体系机制打下了良好的基础。