类三明治结构金属氧化物量子点@石墨烯复合材料的微波辅助制备及室温气敏性能调控

Metal oxide semiconductor (MOS)/graphene composites exhibite excellent gas-sensing performance. Controllable construction of these composites with tunable performance is of great significance for practical applications. However, the existing synthetic techniques have many disadvantages, e.g., complicated process and uneven distribution and easy aggregation of MOS nanocrystals. This project develops a normal-pressure microwave-assisted method to fabricate metal oxide quantum dots@reduced graphene oxide (MOSd@rGO, MOS=Cu2O, Fe2O3) nanocomposites with high specific surface (> 2000 m2g-1) and "sandwich-like" microstructure, and investigates their room-temperature gas-sensing performance. This study focuses on the design, controllable fabrication and gas-sensing performance of MOSd@rGO composites with different components, contents and different number density of MOSd. Analyzing the gas-sensing mechanism of MOSd@rGO composites, improving surface decoration technology and realizing the room-temperature detection of harmful gas. Building models to clarify the role and essence of the microwave thermal effect and non-thermal effect in the synthesis of composites. Finally, the MOSd@rGO composites with high specific surface and its fabricate method will be achieved. Also, this study will provide a new basic material for the detection of harmful gas at room temperature and accelerate the actural application of MOSd@rGO gas-sensing composites.

金属氧化物半导体（MOS）/石墨烯复合材料气敏性能优异，其可控制备与结构、性能调制具有重要意义。针对此类复合材料制备工艺复杂、MOS分布不均匀、易团聚等难题，提出常压微波辅助方法实现MOS均匀分布的、具有高比表面（﹥2000 m2g-1）的“类三明治”结构金属氧化物量子点@还原氧化石墨烯（MOSd@rGO，MOS=Cu2O、Fe2O3）复合材料的可控制备；探究MOSd@rGO的室温气敏性能。过程中重点关注不同组份、不同含量、不同MOSd数密度的MOSd@rGO复合材料的设计、可控制备与气敏性能；结合MOSd@rGO气敏性能的机理分析，发展表面修饰技术，实现室温气敏检测；建立模型阐明微波热效应和非热效应在复合材料合成过程中的作用规律及实质。旨在获得高比表面的MOSd@rGO复合材料及其制备方法，为室温下检测有毒有害气体提供材料基础，为MOSd@rGO气敏材料器件化和实用化提供近期可实现性。

气敏传感器在环境监测、工业生产、医疗诊断等很多领域发挥着重要作用，金属氧化物半导体（MOS）/石墨烯复合材料气敏性能优异，其可控制备与结构、性能调制具有重要意义。项目针对MOS/石墨烯制备工艺复杂、MOS分布不均匀、易团聚等难题，按计划的研究内容主要从以下四方面开展了工作并取得了预期结果：MOS/石墨烯的结构设计以实现气敏改性、第二相MOS均匀分布的多级结构的可控制备、微波效应分析和气敏机理分析。结构设计改性方面，按项目提出的在含有大量官能团的氧化石墨（GO）表面均匀锚固晶粒尺寸接近理论耗尽层两倍的、不同分布数密度的第二相MOS量子点，构筑了“类三明治”多级结构复合材料，如CuO@rGO复合材料，第二相CuO粒径在4～11 nm，均匀锚固于rGO上，实现了对1～10 ppm的H2S气体的高灵敏检测，测试温度低至50℃。可控制备方面，参照项目内容采用常压微波辅助法和一般水热法同步制备了CuO/石墨烯复合材料，常压微波辅助下反应5 min快速制备了CuO均匀分布的类三明治CuO@rGO多级结构，作为对比的传统水热法制备的则为大而非均匀分布的CuO颗粒，无法实现设计结构，突出了微波辅助的优势。此结果验证了项目提出的微波热点效应促进第二相在吸波碳材料GO表面优先异相形核并快速生长理论，另外，GO表面大量含氧官能团也利于Cu2+的均匀富集，使GO外基本无离散CuO颗粒。气敏机理分析认为第二相CuO均匀分布在rGO表面上，符合项目提出的利用GO纳米片和MOS量子点的互相支撑位阻效应防止石墨烯的堆叠与卷曲，同时阻止MOS纳米晶的聚集，最终克服了纳米晶“团聚”难题，因此CuO@rGO中存在的大量外露的表界面有效增加了气体的吸附与脱附，同时部分CuO颗粒可整体参与电导变化，以及CuO与rGO的协同效应共同提高了复合材料低温下的H2S敏感性能。这些工作为MOS/石墨烯新材料的开发，表面修饰技术发展和理解材料微观结构对气敏性能的影响提供了科学依据和技术支持。本项目相关研究结果已发表SCI论文4篇（一作3篇），第一署名申请专利1项，共同培养硕士研究生3人，较好的完成了预期目标。