一维纳晶金属氧化物传感器检测环境有毒气体及机制

氮氧化物和挥发性有机物（VOCs）是环境主要有毒气体，又是产生光化学污染的前体物，随着工业迅速发展和汽车保有量的增加，它们对环境的污染也日趋严重。本项目采用溶胶凝胶、水热和微乳液法合成一维纳米晶体SnO2和ZnO气敏材料，表征材料的晶型、结构、形貌和颗粒尺寸，通过优化制备条件和参数获得高性能传感器材料，用微电子加工技术和低温一步电化学沉积制备高灵敏度、能快速在线检测环境有毒气体（NO2、VOCs）的新型化学传感器，具有成本低，操作条件温和、清洁等优点，是目前新一轮化学传感器的研究热点和前沿。通过掺杂金属元素或氧化物的表面修饰，进一步提高传感器的气敏性能。从材料表面的吸脱附性能、表面能态和能级分布以及化学/电子的叠加效应研究传感器的敏感机制和掺杂质的作用。

氮氧化物和挥发性有机化合物是环境主要污染气体，又是产生光化学烟雾的前驱体，随着经济的迅速发展和汽车保有量的增加，它们对环境污染也日益严重。本项目研究的半导体金属氧化物由于其非化学计量性，对氧化性和还原性有毒气体都有敏感响应。我们以溶液基的不同方法如化学沉淀法，溶胶凝胶法，微乳液法，超声法，水热法，微波水热法和静电纺丝法等已合成了不同纳晶形貌的一维和二维SnO2，ZnO，WO3和MoO3 nanorods 和 nanosheets。一维纳米晶体由于其有大的表面与体积比，径向电子迁移速度快，并且在焙烧过程中不易团聚的优点，所以一般具有较高的气敏性能。另外，一维纳米晶体可以在不同表面活性试剂的结构诱导下自组装构建微纳米分级结构的半导体金属氧化物，由于其多孔和大比表面，有利于气体的扩散和迁移，以进一步提高金属氧化物对有毒气体的敏感性能。然后通过金属元素如Sb和贵金属Ag，Pd的掺杂和不同金属氧化物表面修饰或两种半导体金属氧化物通过不同方法复合，构造p-n，n-n和p-p异质结复合物气敏材料，提高了对NO2，CO，甲醛，甲苯等有毒气体的灵敏度和降低了气敏元件的操作温度和监测极限，并研究了掺杂方法，掺杂元素种类和掺杂量对不同有毒气体的最佳操作温度和气敏性能影响。以XRD，SEM，TEM，HRTEM，EDX，FTIR，UV-vis，PL，TG-DTA，XPS等各种分析手段，表征了气敏材料的结构，形貌，比表面，热稳定性，元素组成，元素价态，元素间的电子相互作用和复合物中元素间的互补和协同效应。将材料制成不同结构的气敏元件，在静态和自动控温的流动测试装置中测定材料对不同有毒气体，如NO2，甲醛，甲苯和其他挥发性有害气体的气敏性能，包括灵敏度，选择性，应答和恢复时间，气体浓度和敏感元件的操作温度对灵敏度的影响，求得最合适的操作温度，以及从灵敏度和气体浓度的线性关系中求得检测极限，并在最佳操作温度下的暂态应答数据应用气固相反应机理模拟响应时间与气体浓度间的定量关系，达到灵敏的，选择性的检测环境中微量有毒气体。从监测气体的吸脱附性能，半导体金属氧化物的禁带宽度和能带结构探讨了n-n，p-n和p-p异质结提高气敏的机制。