金属氧化物分级多孔结构的设计、合成及气敏特性研究

本项目以还原性有毒有害气体的检测为切入点，从检测气体与敏感材料的相互作用出发，并结合多重模板方法实施金属氧化物的可控合成，研究材料结构调控对气敏性能的增强作用，以实现高性能气敏材料的创制。通过增大比表面积，提高对气体的敏感性；构筑分级多孔结构，在多个尺度独立控制各个孔道的结构、孔径尺寸、孔道长度，增强其输运特性，缩短对气体的响应时间；创制纳米复合，提高对气体的选择性和低温敏感性。通过系统地研究分级多孔金属氧化物材料的气敏性能，并反馈研究结果对材料结构设计进行修正，探明结构与性质的构效关系，获得高性能气敏材料的制备规律，为实现高效传感器的创制，解决我国的环境问题做出贡献。

本项目研究针对传统半导体金属氧化物气敏材料存在的弱点，从检测气体与敏感材料的相互作用出发，通过制备大比表面积、小骨架尺寸、短孔道的介孔金属氧化物为结构单元，再将其组装成具大孔-介孔结构的敏感材料，显著提高了其气敏性能，最终获得了影响气敏性质的关键结构因素，为气敏材料和传感器的研发奠定了坚实基础：（1）以介孔氧化硅为模板，通过纳米浇铸方法，制备了多种结晶孔壁的有序介孔金属氧化物纳米粒子，包括氧化铁、氧化钴、氧化锰、氧化铬、氧化锡、氧化镍、氧化铟以及银掺杂的介孔氧化铟等，其中银掺杂的介孔氧化铟对甲醛表现出非常高的敏感性，并且具有良好的热稳定性，显示出在甲醛气体检测方面巨大的潜在应用价值。（2）通过一步煅烧吸附铁离子的碳球制备了多壳层空心多孔氧化铁微球，其对乙醇的气敏性能随其壳层数的增加而增加；空心结构为被测气体分子提供了理想的扩散通道，具有快速的响应-恢复特性。同时这种方法还可以制备其它不同壳层数和组成的多壳层空心多孔氧化物微球，具有一定的普适性。（3）将微乳液法制备纳米粒子和光诱导聚合法相结合，利用氢氧化铁纳米粒子和有机单体之间的协同作用，组装得到氢氧化铁/聚合物复合微球，再通过热处理除去聚合物模板制备了双介孔氧化铁微球；该微球是由粒径均一的氧化铁纳米晶粒组装而成的，具有较大的比表面积和丰富的介孔孔道，能够吸附更多的气体分子，多级双介孔结构又有利于气体的传输，使得该材料应用于甲醛的气敏性能测试显示了较高的灵敏度。（4）通过硬模板结合超声混合法制备介孔金属氧化物和石墨烯复合材料，石墨烯的加入提高了电子转移速度，并储存部分电子到石墨烯上，增加了电子耗尽，显著提高了其对乙醇的气敏性能。