金属氧化物分级多孔空心球结构的设计、合成及气敏特性研究

Metal oxide semiconductor gas sensors with advantages such as long life, wide detection range, low cost, and easy production have attracted a great deal of research efforts. Among them, metal oxide porous hollow spheres with hierarchical structure are considered as the ideal candidates to open a new horizon for high performance gas sensors due to their low density, highly specific surface areas, less agglomerated configurations, and good permeation surface. However, controlled synthesis porous hollow sphere with well designed internal voids, crystal shapes and size is still a challenge and highly desirable. Therefore, in this project, we will design and synthesize a series of metal oxide porous hollow spheres with hierarchical structure, which are assembled by ideal nano-building blocks (particles, rods or cubic). These ideal nano-building blocks are determined through theory calculation and experiment results. The gas sensing properties of these porous hollow spheres will be investigated and the relationship between structures and sensing properties will also be discussed. Moreover, the gas sensing properties of porous hollow sphere sensing materials can be improved further by an optima combination of some metal oxides. According to this project, more useful information and understanding of high performance sensor based on porous hollow spheres can be provided.

金属氧化物半导体气敏传感器具有寿命长、检测范围广、成本低、功耗低和制作简单等特点，一直受到检测领域的广泛关注。其中，分级多孔空心球结构的金属氧化物材料由于具有高比表面积、不易团聚和有助于气体运输的特点，成为研究的热点。但是，构筑具备什么特征的分级多孔空心球结构，组成空心球结构的晶粒尺寸和形貌及空隙尺寸都未经过优化。本课题拟从分级结构设计角度出发，采用理论模拟方法确定分级多孔空心球结构的理想参数，以此为依据，设计合成由纳米结构单元（纳米颗粒、纳米棒、纳米方块等）组装的分级多孔空心球结构金属氧化物材料；研究材料结构与气敏特性之间的关系；在此基础上，对分级多孔空心球结构材料进行多组分复合，进一步提高材料的气敏性能；通过对金属氧化物形貌、尺寸、结构、组成与敏感性质之间内在联系的研究，获得高性能气敏传感器材料的制备规律，为实现高效传感器的创制提供理论和实验基础。

分级多孔空心球结构（复合）金属氧化物材料在气敏性能的研究方面，已取得了一些进展，但目前仍然处于起步阶段，有待深入研究。如何采用简单有效的方法制备一些特殊结构、组成的分级多孔空心球结构材料，尤其是一些多组分材料，是当前研究的热点问题之一。同时，在解决其制备问题的基础上，迫切需要解决构筑什么特征的结构，更有利于提高材料的气敏性能的问题。针对上述领域，项目组主要开展了以下三个方面的研究，分别包括：1、纳米结构单元的设计合成及气敏性能研究；2、纳米结构单元的形貌和尺寸特征对气敏性能影响的理论研究；3、分级多孔空心球结构（复合）金属氧化物材料的设计合成及气敏性能研究。结合研究内容，本课题取得了一系列相关进展，分别包括：采用化学、物理技术手段，制备了SnO2、WO3等纳米结构单元，考察了其形貌和颗粒尺寸对气敏性能的影响，明确气敏机理；以纳米粒子、纳米棒、纳米片为研究对象，建立三种晶体形貌理论模型，对氧化性气体（NO2）的敏感性进行理论计算，得出不同氧气分压及气体浓度下，粒径与灵敏度的关系，粒径越小，表现的灵敏度越高。将理论计算结果与实验测试结果相结合，明确用于组装分级多孔空心球的纳米结构单元的理想微观结构；采用水热、溶剂热等技术手段，制备由纳米结构单元组装的（主要包括W、Zn、Ni、Cu等（复合）金属氧化物体系）分级多孔结构材料，探索反应体系各种参数对材料结构的影响规律，提出合理的生长机制；将分级多孔结构金属氧化物材料制成传感器，以有毒有害气体（NO2、H2、H2S、甲醛等）为研究对象，通过工作温度、响应—恢复时间、灵敏度、选择性等指标比较所研制材料与普通材料及其它纳米结构材料的优点和缺点。总之，本项目的研究成果为深入理解分级多孔结构材料的合成方法提供重要信息，并推广应用到合成一些更为复杂的分级多孔结构材料，也为实现高效金属氧化物气敏传感器的创制提供理论和实验基础。