掺杂稀土对SnO2一维纳米材料气敏性能的影响及机理研究

本项目研究稀土掺杂SnO2一维纳米材料(SnO2纳米棒、纳米线等)的合成以及稀土掺杂SnO2一维纳米晶体生长机理；研究稀土掺杂对SnO2一维纳米材料气体敏感性能的影响；对稀土离子掺杂SnO2一维纳米材料的晶体结构、电子结构、表面气体吸附及光学性质等进行理论计算研究；在理论计算和实验结果基础上，研究稀土掺杂SnO2一维纳米材料的晶体结构、电子结构和表面气体吸附与气体敏感性之间的关联性，设计合成具有较好气体敏感性和选择性的稀土掺杂SnO2一维纳米气敏材料。.通过研究，可获得稀土掺杂对SnO2一维纳米材料气敏性能、氧化还原性能等的影响及机理，得到稀土掺杂与SnO2一维纳米材料气敏性之间的关联性，对解决纳米技术如何与传统技术结合，把一维纳米材料更好地应用于传感技术领域、发挥其性能优势等方面的问题具有重要意义。

二氧化锡(SnO2)是一种宽禁带n型半导体氧化物(它的禁带宽度为3.6eV)，由于具有化学稳定性好、气体灵敏度高和成本低等优点，是众多金属氧化物中研究最广泛和最有应用前景的气敏材料。但是SnO2作为气敏材料存在有限的最大灵敏度、工作温度高、缺乏长期稳定性和选择性差等一些缺点。到目前为止，如何提高SnO2气敏元件灵敏度及选择性等问题仍然是实际应用面临的挑战。为了改进提高SnO2的气体敏感性能，材料纳米化和稀土掺杂是两种基本途径。. 本项目主要研究了采用水热法合成一维纳米SnO2、稀土掺杂一维纳米SnO2的工艺与技术、一维纳米SnO2纳米材料的气体敏感性能、晶体生长机理以及气体敏感性能增强机制等内容。研究发现了一种不使用表面活性剂、预沉积SnO2种籽层和基底层、或添加催化剂等辅助条件成功制备了无支撑SnO2纳米棒有序阵列的水热合成方法。并通过研究前驱体溶液浓度、pH值、合成温度、晶体生长时间等对SnO2纳米棒有序阵列的影响，获得了SnO2纳米棒有序阵列的晶体生长规律，提出了一种SnO2纳米棒有序阵列晶体生长的新机制——SnO2纳米棒有序阵列首先通过Ostwald ripening 机制形成层状纳米SnO2，再通过原子原位定向生长最终形成SnO2纳米棒有序阵列的生长机制。研究了稀土掺杂SnO2一维纳米阵列的水热法合成技术，探讨了掺杂稀土对SnO2纳米棒有序阵列的影响，研究发现掺杂稀土对SnO2纳米棒的生长具有抑制作用，有利于获得具有较高比表面积的SnO2纳米棒有序阵列；系统研究了SnO2纳米棒有序阵列及稀土掺杂SnO2纳米棒有序阵列作为气体敏感材料的气体敏感性能及机理，研究发现SnO2纳米棒有序阵列对异丙醇、酒精及丙酮气体具有高灵敏度、高选择性和较低的气体浓度检测限，且稳定性好；研究了掺杂稀土对SnO2纳米棒有序阵列的气体敏感性能的影响，获得了稀土Ln (Ln=La, Nd, Ce, Sm)掺杂影响SnO2纳米棒有序阵列气体敏感性能的重要实验结果。采用计算材料的Material Studio软件，理论计算纳米SnO2及稀土掺杂纳米SnO2的晶体结构、电子结构、表面气体吸附，电子转移等，研究了SnO2及稀土掺杂纳米SnO2的晶体结构、电子结构和表面气体吸附与气体敏感性之间的关联性，从理论上探讨了纳米SnO2及稀土掺杂纳米SnO2气体敏感机理。