SnO2基气敏材料掺杂改性的第一性原理研究

SnO2基气敏材料被广泛应用于有害、易燃、易爆气体(如CO、H2S、NO、SO2等)的检测中。纯净的SnO2在实际应用中存在对被测气体的灵敏度低和选择性差的问题。实验研究表明金属掺杂改性能提高SnO2基气敏材料的灵敏度和选择性，这也是SnO2基气敏材料基础研究和应用开发的热点之一。通过第一性原理方法系统研究不同金属掺杂的SnO2的原子和电子结构特征，比较各种探针气体小分子在未掺杂和掺杂SnO2表面吸附特性之异同。总结金属掺杂改善SnO2灵敏度的规律及其内在机理。并通过两种探针气体小分子在SnO2表面的共吸附研究，揭示SnO2气敏选择性的内在机理。研究结果将为实验研究和应用开发过程中SnO2基气敏材料的金属掺杂改性提供理论依据。

SnO2 是一种广泛应用的气敏材料，被广泛地应用于多种气体的的检测中。项目组成员按照项目计划书中规划的研究内容、目标和方案开展了系列的研究工作。在项目的研究过程中，主要采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，并结合第一性原理分子动力学模拟方法和从头算原子热力学方法(ab initio atomistic thermodynamics method)。积极发挥各种方法的优点。在研究了SnO2块材及表面原子结构及电子结构特征的基础上，探索了不同金属掺杂的SnO2体系的电子结构特征和不同气体分子的吸附特性研究，开展了两种气体分子的共吸附研究，部分地揭示了SnO2基气敏材料的气敏选择的内在机理。相对于项目计划书，我们不仅按照研究计划研究了“两种探针气体小分子在SnO2表面的共吸附”，并进一步扩充研究了两种气体小分子在掺杂的SnO2表面的共吸附，发现了一些有趣的吸附特性。通过这些研究，我们发现纯净的SnO2(110)表面在氧分子存在的情况下能够较为容易的将一氧化碳氧化成二氧化碳；部分地揭示了Pt等金属掺杂促进SnO2气敏活性的内在机理。我们还结合本校化学与化工学院实验研究组的有关实验研究，开展了SnO2表面相关的“表面反应控制与气体扩散控制”研究。此外，结合课题组人员研究基础及合作的实验组的研究进展，开展了CeO2催化体系的硫化及硫中毒机理研究、Graphene体系的掺杂改性研究、基于YSZ的固体氧化物燃料电池的硫中毒机理研究等。.通过本项目研究工作的开展，通过项目组成员三年来的努力，项目研究基本达到了预期的研究目标，取得了一定的成果。共计在SCI期刊上发表项目资助学术论文20篇，其中Journal of Materials Chemistry A 1篇，Carbon 2篇，Physical Chemistry Chemical Physics 3篇，Sensors and Actuators B: Chemical 1篇，Journal of Power Sources 2篇，Journal of Physical Chemistry C 1篇，International Journal of Hydrogen Energy 2篇，Chemical Communications 1篇。培养硕士研究生6名（毕业3名），博士研究生3名（毕业2名）。