抗湿性n-p-n型纳米WO3/石墨烯三明治结构材料的构筑及气敏响应机理研究

In order to reduce the power consumption of nano WO3 gas-sensing material and improve the humidity-insensitivity of the gas-sensing graphene, the project will employ the microwave-assisted hydrothermal or solvothermal method to construct a sandwich-like nano-structured WO3 loaded on the functionalized graphene surface and investigate the gas-sensing mechanism based on the gas-sensing material properties of the new p-type semiconductor graphene with high sensitivity, low working temperature and the adjustable electrical conductivity and the n-type semiconductor nano WO3 with humidity-insensitivity. Through the constructing process investigation of the different sandwich-like structural materials such as WO3 quantum dots, hollow nanospheres, nanosheets and nanotubes self-assembly loaded on graphene surface, it should be desirable to clarify the growth and control mechanism of the sandwich-like structured nanocomposites, and then to further study the gas adsorption/desorption mechanism for the gases on the surface of the sandwich-like structural materials and the relationship between the gas sensitivity with the n-p-n type nano-structured materials. After that, a model related to the gas sensitive mechanism would be built to clarify the synergistic effect of the n-p-n sandwich-like materials on gas-sensing performance in order to obtain optimized gas-sensing materials with both humidity-insensitivity and good gas sensitive performance. It should be provided the desirable theoretical reference for the graphene-based composites research in related fields and laid the foundation for the miniaturization, thin-film integration of the sensitive components.

为了降低纳米WO3气敏材料功耗和增强石墨烯气敏材料的抗湿性能，本项目基于新型气敏材料p型半导体石墨烯的高灵敏度、低工作温度和导电性可调控等特性以及n型半导体纳米WO3良好的抗湿性能，采用微波辅助水/溶剂热法在功能化石墨烯表面负载纳米WO3构筑成抗湿性好和气敏响应优异的三明治新型复合材料并研究其气敏响应机理：通过WO3量子点、纳米空心球、纳米片、纳米管等在功能化石墨烯表面的构筑获得不同三明治结构材料的过程研究，阐明石墨烯负载纳米WO3三明治结构材料的生长机制和控制机理；进一步研究气体在三明治结构材料表面吸/脱附的微观机制及气敏响应与这种n-p-n型材料纳米结构的相关性，并构建相关气敏机理模型，阐明n-p-n型纳米WO3/石墨烯三明治结构材料对气敏元件气敏响应互补增强的协同效应规律。为石墨烯复合材料在相关领域的基础研究提供理论参考，为气敏元件的小型化、薄膜化、集成化奠定基础。

对环境中有毒、有害气体进行有效检测和报警越来越引起人们的关注，金属氧化物半导体气敏材料响应机理仍需完善。WO3作为n型半导体氧化物，其制备方法和气敏机理也引起了越来越多的关注。石墨烯材料具有二维典型结构，比表面积大，导电性好等优点，作为p型气敏材料，与n型气敏材料结合不仅可以产生不同的形貌，还产生p-n型异质结结构，进一步增强气敏性能。项目结合微波和水/溶剂热方法的优点，使用乙二醇作溶剂，在气-液界面进行化学反应，制得具有不同形貌的纳米WO3前驱体、纳米WO3和WO3/石墨烯复合材料，对其结构、组织形貌和性能进行研究，得到对纳米WO3/石墨烯气敏理论研究和实际应用具有重要指导意义的结果：（1）采用碱性路线，通过微波辅助溶剂热方法在气-液界面合成了齿轮状纳米WO3前驱体，将纳米WO3前驱体进行煅烧处理得到中孔结构的单斜晶体纳米WO3，并对齿轮状WO3前驱体和孔状结构的生长机理进行了合理解释。WO3前驱体和煅烧后的WO3产物都能在较低工作温度对二甲苯表现出良好的气敏性能；（2）研究了微波气-液界面制备纳米WO3材料的物相、热重、表面电子结构等，证实了反应中存在着酯化反应，水的含量直接影响酯化反应的程度；WO3在220 ℃下，对H2S最低检测限达1 ppm，灵敏度为4.479.EIS谱研究了WO3与三乙胺之间的相互作用，论证了纳米材料电阻改变主要是受晶粒颗粒间电阻的影响；（3）通过向WO3中掺杂不同含量的石墨烯制备了石墨烯/WO3纳米片，降低了元件电阻和工作温度，提高了气敏性能。石墨烯(0.5wt%)/WO3纳米片对H2S气体工作温度低（110 ℃）、灵敏度高、响应-恢复时间短；（4）合成的花状WO3/石墨烯复合物在80 ℃时对苯胺显现出了良好的气敏性能，石墨烯对花状WO3/石墨烯复合物晶体结构生长过程和苯胺气体的良好性能起到十分重要的作用；（5）合成的半球状纳米WO3/石墨烯在室温对三乙胺气体表现出了十分优异的气敏性能；(6)所研究的WO3/石墨烯体系在相对湿度23-67%范围内均具有较好的环境抗湿性.