基于多孔沸石与氧化物架构组装的主-客体复合材料气体传感器研究

At present, the main shortcomings of semiconductor gas sensors are poor selectivity, low response sensitivity and bad stability, which seriously limit the application in detection of indoor volatile organic compounds such as formaldehyde. This project proposes to construct an assembled composite with porous zeolites as host and oxides as guest, so as to increase the response sensitivity and, more importantly, to improve the selectivity. By using the methods of ion exchange, hydrothermal and dipping etc., the oxides will be implanted inside, or assembled outside, of the zeolite. The ordered porous channels of zeolite are used as “micro-reaction units” of the oxide, and the nanometer guest oxide is assembled into the unit. A host-guest effect is caused by the inter-reaction of the host and guest materials. The new composite gas sensing materials are expected to have a break-through in improving selectivity and sensitivity of the gas sensors by combining the selection and catalysis functions of zeolite, and the high sensitivity of oxide. There are a series of scientific problems in the sythesis of the assembled composites of various zeolite/oxide and on their sensing mechanism such as: the assemble mechanism of the host zeolite and guest oxide; the inter-reaction mechanism of catalysis, transfer and selection among host-guest-gas; and the sensing (selecting) mechanism of the assembled composite of zeolite/oxide to various kinds of gases.

当前半导体气体传感器存在的普遍问题是选择性不强、响应灵敏度不高以及稳定性不好，制约了其在检测室内甲醛等挥发性有机气体方面的应用。本项目以多孔沸石为主体，氧化物为客体，架构组装沸石/氧化物复合敏感材料，试图在提高气敏材料响应灵敏度的同时，着重于改善其选择性。采用离子交换、水热、浸渍等方法，分别将氧化物嵌入到沸石内部或架构到沸石外部。将多孔沸石的有序孔道作为氧化物的“微反应器”，在其中组装纳米尺度的客体氧化物，通过客体与主体的相互作用产生主-客体效应，发挥沸石的筛选、催化作用以及氧化物的高灵敏性能，使这类新型气敏材料在同时改善气体传感器的选择性和响应灵敏度方面有所突破。研究不同沸石与氧化物架构的复合材料引出的材料组装和敏感机理方面的一系列科学问题，例如主体沸石与客体氧化物之间的结合机制；主体-客体-气体之间的相互作用机理，催化、传输、筛选机理，以及复合敏感材料对不同气体的感知（选择）机理等。

研究背景及科学意义：在各种检测室内空气质量的方法中，半导体气体传感器具有设备及操作简单、可现场检测、成本低、体积小等优点。但半导体敏感材料普遍存在选择性较差、对低浓度气体响应灵敏度低、稳定性差等问题，制约了其实用化进程。本项目采用多孔沸石与氧化物架构组装复合材料，利用沸石的多孔结构及其筛选、催化等性能对氧化物的敏感性能加以促进和优化，达到提高气敏元件的对VOC气体的响应值，改善其选择性的目的。即从理论上研究了沸石在氧化物感应气体时的机理，具有科研意义，又优化了气体传感器的性能，向实用化迈进。.研究内容：分别研究了不同类型（ZSM-5型、Y型、A型）不同组成（不同硅铝比）、不同结构（颗粒/纤维）沸石的制备及其与N型或P型氧化物以不同方式（内置/外包裹/混合）架构组装的复合敏感材料的制备及气敏性能。结合材料的表征和气敏测试结果优化材料的制备工艺条件。测试了复合材料元件对甲醛、甲苯、苯、丙酮、乙醇、氨气等VOC气体的工作温度、响应值、响应－恢复特性、选择性、湿度影响等基本敏感特性。同时对应敏感材料的表征结果，如组成、结构（形状、粒径、孔隙）、电子态等分析研究了氧化物/沸石复合材料气体传感器的敏感机理。.重要结果及关键数据：沸石的介入明显改善了氧化物的敏感性能。如将ZSM-5沸石涂覆架构在SnO2外侧后，气敏元件对10ppm甲醛的响应值从3.4增大到11，而对丙酮的响应值及从5.1降到3.5，明显改善了元件对甲醛的选择性；将ZSM-5沸石组装在SnO2纤维内部的复合材料对100 ppm 甲醛气体的响应值从32.0增大到63.47，元件的稳定性及对甲醛的选择性也得到改善；CuO/ ZSM-5沸石对甲苯气体响应最高提高11倍；CuO/A沸石系列对乙醇气体的响应时间均缩短。掺杂、离子交换进一步增强改善的效果。离子交换后，Ag-ZSM-5/NiO复合材料对甲醇的响应值从1.1增大到3.6。