抗湿性光助气敏材料的构筑及其气敏特性研究

Noninvasive detection of diseases by breath analysis (VOCs) is a fast and simple alternative to diagnostic techniques. Breath analysis has the potential for the early stage detection and monitoring of illnesses. In the project, we apply light-assited gas sensor in high-humid atmosphere to solve the proplems including the tradition gas sensors have low sensitivity and unstability in high-humid atmosphere. Under light irradiation, the photogenerated-holes from the SnO2 composite materials could oxidize OH- or H2O to form •OH. The process of photooxidation reduce the quantity of OH-/H2O and enhance the activity groups. The active •OH will react on the detection gas, reducing the effect of the high-humid atmosphere. The present study will provide unprecedented insights on the ultrasensitive gas sensor in high humid atmosphere.

口气中挥发性有机气体（VOCs）种类和含量的判定是近年来兴起的一种快速、无痛的诊断技术，在疾病的早期诊断和慢性病的长期监测等领域有重要的应用价值。本项目从人类健康问题出发，立足构建光助气敏元件实现在高湿度环境、室温操作下对VOCs气体进行有效检测，解决传统半导体气敏传感器在VOCs检测过程中遇见的高湿度环境导致气敏活性下降、易中毒、高耗能、易老化等问题。拟利用光照射激发基于SnO2半导体复合材料产生的光生空穴来氧化OH－/H2O，生成具有较强氧化能力的•OH，减少材料表面H2O的吸附，增加具有氧化能力的活性基团的数目，以此降低半导体气敏传感器在VOCs检测过程中湿度对其产生的负面影响，增强半导体气敏传感器的抗湿性。可以预期，本项目的实施将对抗湿性半导体气敏传感器的研发工作起到积极的推动作用。

室温操作的半导体气敏传感器因具有较低的耗能、简单的器件组成和较长的使用寿命等优点，成为对VOCs进行检测的合适选择。本项目利用利用光照技术手段代替加热实现气敏材料在室温下进行检测。通过构建基于氧化物半导体的复合材料，增强其光助气敏活性，并利用异质结面的作用，提升单一氧化物半导体光助气敏活性，改善在高湿度环境下的检测能力。主要简介内容如下：. 1.利用超声-鼓吹-冻干技术制备石墨烯包覆ZnO微球。ZnO microspheres/GE复合物改善了半导体材料的一些光电性能，提升了光生载流子的分离效率，加快了电子在界面的传输速率。此外，我们还选取了CdS 纳米球（100 nm），TiO2 纳米片（30-50 nm），ZnO纳米棒（1 m）和Bi2WO6（2-3 m）微球这四种材料来进行包覆实验。利用该方法这三种材料都可以顺利的被石墨烯包覆。通过实验结果可以看出，该方法在一定程度上不受材料种类、尺寸的限制，可以加以推广。. 2. 在室温紫外光激发下g-C3N4/ZnO复合物的乙醇气敏活性研究。我们利用超声方法成功从体相g-C3N4中剥离出g-C3N4纳米片，并在g-C3N4纳米片上锚定ZnO纳米粒子。在370 nm紫外光的激发下（室温，相对湿度35%），g-C3N4/ZnO复合物对乙醇有较好的气敏响应。对于同等浓度的乙醇气体，g-C3N4/ZnO-8%的样品的气敏响应是单纯ZnO的60倍。我们把提升的气敏响应的原因归结为：ZnO和g-C3N4/ZnO界面促进了ZnO中光生载流子的分离，扩大了O2－ （h）的数量从而提升了对乙醇检测的灵敏度。. 3. 不同氮源制备的ZnO/C3N4复合物的光助气敏活性及其抗湿性能研究。通过选用不同的氮源（三聚氰胺、尿素、单氰胺）制备ZnO/C3N4复合物，发现不同的氮源对生成的ZnO/C3N4复合物的形貌、光电性能和光助气敏活性都有影响。结果显示三聚氰胺为氮源制备的样品气敏活性最佳。在相对湿度85%的环境下，ZnO/C3N4复合物的气敏活性要高于单纯ZnO，证明在ZnO和C3N4的界面不仅能够改善光助气敏活性，还能增强材料的抗湿性能。