分等级多孔纳米 TiO2氢敏传感器的制备及改性研究

The preparation of novel hierarchical porous nano-TiO2 based hydrogen sensitive materials and the optimization of hydrogen sensing performances is one of the significant research issues. One focus of this project is the preparation of TiO2 based hydrogen sensitive materials with different hierarchical porous nanostructure using different methods, such as hydrothermal method, doctor blade method, electrochemical anodic oxidation process, and high target utilization plasma sputtering method, etc., and/or combining the above methods. Another focus of this project is the modification of hierarchical porous nano-TiO2 with metal ions, noble metals, carbon nanotubes, graphene, etc. Based on the microstructure regulation and the hydrogen sensing measurement, the inherent relationship between the preparation methods, microstructure of hierarchical porous nano-TiO2, and surface modification, and hydrogen sensing performance will be investigated. Develop and design new methods and new technique for the preparation of hierarchical porous nano-TiO2 thin films, and reveal the mechanism of nano-TiO2 based hydrogen sensor performance. This investigation will provide significant theoretical and experimental basis for hydrogen sensor research. Meanwhile, combination this research with nano-TiO2 in photocatalysis and photoelectric conversion research, we will explore the mechanisms in common of the hierarchical porous nano-TiO2 regulation in the field of photovoltaic energy applications and hydrogen sensors, and to further promote the theoretical and applied research of nano-TiO2 with typical and unique excellent semiconductor oxide properties.

新型分等级多孔纳米结构TiO2基氢敏材料制备及其氢敏特性的优化研究是一个重要的研究课题。本项目拟采用水热、刮刀、阳极氧化及高利用率等离子体溅射等方法，进一步将上述方法相结合，制备具有分等级多孔纳米TiO2基氢敏材料，并引入金属离子、贵金属、碳纳米管、石墨烯等对其进行改性研究，结合微观结构的调控及氢敏特性的评价，探究制备方法、材料结构与表面改性及氢敏特性之间的内在关联。发展和设计分等级多孔纳米TiO2基氢敏薄膜制备的新方法和新工艺，揭示分等级多孔纳米TiO2基氢敏传感器的作用机制，为性能优异的氢敏传感器的研究开发和应用提供重要的理论和实验依据。结合本研究工作及分等级多孔纳米TiO2在光催化和光电转换领域的研究基础和成果，探究分等级多孔纳米TiO2能带调控及导电性质与在光电能源领域与氢气传感器领域应用的相通之处，促进纳米TiO2这一典型且具有独特优异特性的半导体氧化物的理论和应用研究。

以TiO2半导体为敏感介质制备的传感器具有工作温度范围广且灵敏度高等独特优点。本项目完成了分等级多孔纳米TiO2氢敏传感器的制备及改性研究：①采用压片法制备了TiO2@In2O3复合片，并将其应用于氢气传感器。研究发现，相对于无In2O3的纯TiO2传感器，掺杂传感器具有更好的恢复响应。特别的，TiO2@10%In2O3复合氢气传感器对低浓度氢气的恢复最优优秀，在1 ppm恢复超过初始值恢复时间非常快。从而提供一种能够常温检测、灵敏度高且恢复时间短的氢气传感器以及该氢气传感器的制备方法。②采用电沉积法制备了TiO2纳米管@In2O3复合阵列，并将其应用于氢气传感器。氧化铟的沉积解决了阻值的问题，响应在40 s左右。尽管恢复时间较长，但阻值恢复完整，解决了二氧化钛恢复难的问题。③采用水热法制备了二维TiO2纳米片及三维TiO2微球，并对其进行石墨烯掺杂改性，应用于氢气传感器。其中，纳米片掺杂少量的石墨烯，无需热处理，溅射Pt电极所制备的氢气传感器对氢气的响应和恢复都很优秀，特别是恢复性能。④制备了可见光响应增强的Nb、Ag、Au掺杂TiO2微米球/纳米片膜、TiO2纳米棒阵列/纳米片-微球双层薄膜、Pt/TiO2/WO3等结构，并成功应用于可见光分解水制氢及太阳能电池。⑤采用HiTUS制备了晶型及且载流子浓度可控的CuO、Cu4O3、Cu2O薄膜，并研究了其结构对材料的光电性能及氢敏性能的影响；进一步采用光电子结构分析模型理论，提出了一种具有普适性的n/p/p+结构的CuO基高效薄膜光伏电池。.在项目执行过程中，在国际核心期刊上发表研究论文8篇；另外1篇论文已完成撰写和投稿，目前在审稿阶段；申请专利2项，目前均已公开，进入实质审查阶段；参加国际学术会议4次，接待国内学者学术交流1次；参加本项目研究2名硕士研究生已毕业，还有5名硕士研究生在读；项目负责人参与国家自然科学基金青年基金及面上项目资助各一项，获得河南省重点研发与推广专项国际联合项目一项、郑州大学优秀青年教师发展基金资助一项；获得自然科学奖省部一等奖一项，本人排名第4。