基于花粉和叶子结构的气敏材料研究

启迪于天然生物材料精美分级结构所表现出的特别功能，结合气敏性质对材料结构和组成的要求，本项目拟以仿生、生物模板、生物矿化的合成思想为指导，设计制备具有多孔分级结构的金属氧化物系列纳米材料应用于气敏研究。花粉、叶子等生物材料被选择作为模板在金属盐溶胶介质中进行浸渍处理，经过溶胶-凝胶过程并辅助热处理，生物模板经历了多种物理化学反应引导控制无机纳米粒子的原位形核并对模板结构复制，制备由金属氧化物纳米单元有序构筑的多孔分级结构气敏材料。对制备过程的模板作用机理进行分析,研究从天然生物材料到多孔分级结构纳米材料的结构传承和成分转化规律,为制备精细复杂结构的功能材料提供新思路。对气敏性质进行分析评价，研究材料的组成结构与气敏性质之间的耦合响应关系，剖析气敏过程的作用机理并尝试建立理论模型，为研制开发新型结构的气敏材料提供理论依据和实用途径。

一些生物材料所具有的精细分级结构和生物自组装体系有利于物质传输和发生表面反应，这为构筑精细分级结构的气敏材料提供了蓝图。本工作从结构性生物模板、自组装生物模板和功能性生物模板的角度出发，充分利用生物分子的表面活性，探索了开放式、疏松薄壁型以及同时具备以上两特点的复杂分级多孔结构的制备方法及相关金属氧化物气敏材料的潜在应用价值，分析了多孔分级结构及其组分优化对气敏材料性能的影响规律及耦合作用机制。主要研究内容及取得的成果如下： .基于疏松薄壁骨架的需求，启迪于生物膜薄的厚度和强的自组装能力，探索直接利用油菜花粉类生物膜的自组装体系来合成具备疏松薄壁骨架特点的三维分级多孔结构的方法，得到疏松薄壁骨架的三维分级多孔金属氧化物纳米材料，并揭示了气敏性能的改变主要归结于疏松多孔性对分级骨架上气体传输效率的调控作用。.为综合利用开放式和疏松薄壁型分级多孔结构的优势特征，从功能性生物模板的角度出发，通过利用生物模板表面活性生物分子对前驱离子较强的吸附能力，开发了两步浸渍过程与热处理相结合的方法来实现功能化生物分级多孔结构的复制，制备出同时具备三维开放性和疏松薄壁骨架特点的分级多孔结构的气敏材料，并从材料比表面积、表面粗糙度、颗粒堆积模型和晶粒尺寸的协同作用等方面研究了骨架疏松多孔性对金属氧化物材料气敏性能的影响。.从组分优化角度对金属氧化物材料进行改性，通过PdO对以生物模板所制备的多孔分级结构SnO2的可控表面修饰（Pd/Sn原子摩尔比在0~3.82%之间），所制备的复合材料在气敏性能上有较大提升，尤其在降低最佳工作温度、提高气敏响应值、加快响应-回复速度等方面有明显优势。分析了PdO含量对气敏性能的影响及调控作用机制，发现Pd/Sn以2.89%为分界点，PdO分别以小颗粒和团聚态存在对SnO2晶粒生长和颗粒团聚进行调控，从而决定了复合材料的微结构和表面特性，这二者的协同作用又最终表现出气敏性质的综合改善。.本研究为高效气敏材料的结构设计和组分优化提供了思路，为新型功能材料的开发提供了方向和实验依据，特别是对当前多层次多维数乃至结构功能一体化的新材料研究具有重要的意义。