贵金属修饰暴露晶面可控的分级微/纳结构TiO2及其气敏特性研究

TiO2 has been widely studied as gas sensing material due to its unique properties of low cost, excellent stability, biocompatibility, eco-friendliness and so on. However, it has many disadvantages in the practical application, such as low sensitivity, long response/recovery time, poor selectivity and high operating temperature. To overcome above disadvantages, noble metal (Ag, Pt, Au) decorated hierarchical micro/nanostructured TiO2 materials with tunable crystal facets exposure will be designed and constructed in the present project, using surfactant-induced hydrothermal/solvothermal technology in the condition of reducing assistance. This project seeks to optimize the gas sensing performance of TiO2 in several degrees of freedom including the exposure of high-energy crystal facets, the construction of hierarchical micro/nanostructure and the decoration of noble metal nanoparticles. On that basis, through first-principle calculations and spectroscopic characterization experiment, attention will be focused on the exploratory study of the principle and law of some key problems, including adsorption and capture of gas molecules, changes in surface/interface electronic structure and charge transfer during gas sensing process. The gas sensing mechanism will be clarified and physical mechanism of the crystal-facets-dependent effect of TiO2 nanocrystals will be revealed. The conducting of the present project will provide theoretical and experimental guidance for further exploring semiconductor sensing materials.

TiO2由于具有成本低廉、性质稳定、生物兼容、环境友好等特性，已经成为一种被广泛研究的气敏材料。但是，其在实际应用中仍然存在灵敏度低、响应和回复时间长、选择性差、工作温度高等不足。针对上述不足，本项目拟采用表面活性剂诱导水热与溶剂热技术，在还原协助条件下，设计构筑贵金属（Ag, Pt, Au）修饰暴露晶面可控的分级微/纳结构TiO2材料，力图从高能晶面的暴露、分级微/纳结构的构筑、贵金属纳米颗粒的表面修饰等几个自由度上实现TiO2气敏性能的优化，在此基础上通过第一性原理计算和谱学实验表征，围绕气体分子的吸附捕获、气敏过程中表/界面电子结构的变化及电荷转移等关键问题进行原理和规律的探索研究，阐明气敏机理，揭示TiO2纳米晶气敏特性“晶面依赖效应”的物理机制。本项目的开展，为进一步开发半导体气敏材料提供了理论和实验指导。

气体传感器主要用来探测环境中有毒、有害气体的浓度，提前预警，保护人身安全。本研究项目拟控制合成具有不同晶面暴露的分级微/纳结构TiO2材料，并进一步在还原协助条件下，在其表面均匀修饰贵金属纳米颗粒。系统研究其对环境中影响人类健康和安全的一些典型气体的气敏特性，围绕气体分子的吸附捕获、气敏过程中表/界面电子结构的变化及电荷转移等关键问题进行原理和规律的探索研究，阐明气敏机理，揭示TiO2纳米晶气敏特性“晶面依赖效应”的物理机制。项目实施以来取得的主要研究成果如下：1）通过表面活性剂诱导水热与溶剂热技术，控制合成了一系列具有不同晶面（包括{001}，{010}和{101}晶面）暴露的锐钛矿相TiO2微/纳结构材料，通过实验条件的控制实现了其结构参数（包括暴露晶面的种类和比例、比表面积和孔结构）的控制；2）通过简单方便的光化学还原方法，实现了微/纳结构表面贵金属纳米颗粒的均匀修饰，并实现了贵金属纳米颗粒尺寸、含量及分布的控制；3）系统研究了TiO2气敏特性的“晶面依赖效应”，通过高能活性晶面（包括{001}和{010}晶面）的暴露，实现了TiO2纳米晶气敏性能的大幅提升，并采用第一性原理理论计算的方法对其中的机理进行了深入的研究；4）系统研究了贵金属Pt纳米颗粒与TiO2不同晶面之间的界面、电荷转移行为及其对气敏性能的影响。总之，本项目从高能晶面的暴露、分级微/纳结构的构筑、贵金属纳米颗粒的表面修饰等几个自由度上实现了对TiO2 纳米材料气敏性能的全面优化。本项目的开展，不仅具有重要的学术意义，而且在环境安全和人类健康等方面具有重要的实际意义。项目实现了预定的研究目标，完成了计划任务书中的全部研究内容。在本项目的支持下，研究成果在Sens. Actuators B: Chem、Applied Surface Science、Journal of Alloys and Compounds等国际SCI期刊发表论文10余篇，授权和申请国家发明专利4项，参与国内国际会议口头报告和墙报交流7次。