高选择性氧化锌基异质多级结构气敏材料的可控组装与性能研究

In this project,the hierachical heterostructure nano-oxides arry, constructed by ZnO nanorod arry and another low dimensional (nanorod or nanosheet)heterostructure oxides building blocks, will be synthesized by a simple, economical solution self-assembly or soluble recrystallization routes to obtain gas sensing materials with ultrahigh selectivity, high sensitivity and good stability. The mechanism for the formation of hierachical heterostructure of oxides array will be also studied in detail. The hierachical heterostructure of oxide array based sensors will be assembled in-situ to keep hierachical structure well, provide more surface-to-volume ratio,in favor of gas molecule transportation and synergy between surface and interface. The mechanism for gas adsorption and desorption will be studied by combining theoretical caculation with characterizations of X-ray photoelectron spectroscopy, electricity properties, etc., to indicate the relationship between the hierachical heterostructure of oxides and their gas sensing properties, which may provide theoretical guides for further investigation of the relationship between the hierarchical heterostructures of the zinc oxide array and their gas sensing properties and practical applications of the gas sensors.

本项目拟探索制备具有高选择性的氧化锌基异质氧化物多级结构气敏材料。以有序的氧化锌纳米棒阵列为基底，采用液相自组装或溶解再结晶生长法，使异质氧化物材料复合到氧化锌纳米棒阵列表面，通过调控反应物浓度和反应条件控制异质氧化物在氧化锌纳米棒表面的存在形态（棒或片层），从而制备有序的氧化锌基异质多级结构材料，并对其构筑机制进行研究。利用这种方法使材料易于在传感器件表面进行原位组装，以确保其多级结构的完整性，能充分利用多级结构的高比表面、易吸附脱附以及活性表面和界面的协同作用，进而实现对气体的高选择性检测并提高检测的灵敏度和稳定性。利用现代表征手段，光电子能谱、材料电学性质等实验测定和理论计算相结合，揭示气体在材料表面和异质界面的吸脱附本质、不同异质多级结构与气敏性能之间的关系，为探索氧化锌基异质多级结构材料显微结构与气敏性之间的关系和器件的实际应用奠定理论基础。

课题取得主要成果包括：（1）采用简单的化学浴沉积方法制备了多级结构花状ZnO材料，并实现了材料在器件表面的原位组装，该器件对乙醇气体具有超快速的响应，响应时间小于1s。（2）利用ZnO晶种生长法制备了ZnO纳米棒阵列，并在阵列表面上修饰SnO2、NiO和TiO2等氧化物，实现了对乙醇和氮氧化物气体的高选择性、高灵敏度检测。（3）采用水热法制备的NiO基纳米墙阵列，实现了对H2S气体的超低浓度检测，检测下限达到0.01ppb。创新使用气质谱联机技术，对材料与H2S气体的作用产物进行分析，从实验上证明了作用后产物为SO2。(4)采用水热法制备了TiO2基纳米棒阵列材料，实现了对三乙胺气体的快速检测，响应时间小于2s，最低检测限达到0.1ppm。（5）采用水热制备了具有花状、空心球和实心球等多级结构的氧化钼材料，该类材料的形貌和结构显著影响了材料对三乙胺气体的敏感性能，单晶花状材料对三乙胺气体的最低检测限达到1ppb，并且利用气质谱联机技术对材料的三乙胺气体的作用机制进行了剖析。. 完成了项目基本目标，其中重点突出了多级结构氧化物材料可控制备和对敏感气体的传感机制研究方面的工作，取得了较好的结果。