金属氧化物表面结构的精细调控与化学传感器设计

With the development of the world, more precise sensor is urgently needed. Fine regulation of the surface structure of metal oxides will become a new technology for improving the performance of sensor. In this project, laser induced vapor deposition and microwave hydrothermal method will be used to synthesize metal oxides. Doping and aftertreatment technologies will be used to regulate their suface structures. Employing with different in-situ characterization technologies used for catalyst，the influnce of the surface structures of the materials on the gas sensing properties, especially for hazardous gases will be investigated. Combining with theoretical calculation, the relationships among the preparation parameters, microstructures and sensing properties will be found. Moreover, a fundamental, atomic-level understanding of sensing processes will be built. According the required sensing properties, the sensitivity, selectivity and stability of materials will be improved by the fine regulation of the surface structures, and the engineering of novel sensor will be realized finally. Therefore, the research results will be helpful to explain the sensing mechanism and develop relative theory, and could provide basic technology and theory foundation for the fabrication and application of the sensor. In addition, this project will be beneficial to the development of environmental analytic technology, and further satisfy the society requirements.

随着社会的发展，人们对气体传感器性能不断提出新的要求，气敏材料表面结构的精细调控将成为提高传感性能的新手段。本课题将采用非平衡激光诱导气相沉积、微波水热等技术制备不同种类金属氧化物纳米材料，通过掺杂、焙烧等后处理手段进一步调控材料表面结构。检测材料气敏性能并借助催化剂相关原位分析技术，深入研究材料表面组成及结构对其分析检测氮氧化合物等有毒、有害气体性能的影响，结合理论计算，构建材料制备、微观结构与气敏性能之间的关联；掌握材料响应过程的物理、化学规律并从原子水平上理解气敏响应机制。以传感性能为导向，通过表面结构的精细调控提高材料灵敏度、选择性、稳定性等综合性能，实现新型传感器的优化设计。课题研究结果不仅有助于气敏响应机制的最终确立，推动相关基础研究，为传感器的实际应用提供技术基础和理论依据，还将有益于环境分析检测技术的发展，从而满足日益提高的环境监测标准。

本项目通过化学传感器敏感材料表面结构的精细调控改善其传感性能，从而满足日益提高的环境监测标准。主要采用水热法、微波辅助法等制备了不同形貌的氧化锌、氧化铟等金属氧化物纳米材料，通过高温煅烧、不同气氛处理、掺杂、负载以及材料复合等不同的改性手段精确调控纳米材料表面缺陷种类和浓度，提高材料的传感性能，建立了材料微观结构与性能的关系。通过原位技术分析气敏响应过程，从微观尺度上揭示了气敏材料与待测分子之间的相互作用机制。以二氧化氮、一氧化碳、乙醇等的传感性能为导向，通过材料表面结构的调控提高材料灵敏度、选择性和稳定性，实现了高性能气敏材料的可控制备。我们将层状材料与化学发光分析法相结合，构建了新型化学发光传感器，通过材料改性或者调控主体层板和层间客体阴离子，研究影响体系化学发光行为的各种因素，考察了体系的化学发光行为规律及反应机理，实现了生物样品中亚硝酸盐、生物胺等微量组分的高选择性和高灵敏度的测定。在此基础上，我们还制备出系列具有高比表面积的其他氧化物复合纳米材料，通过合成方法、焙烧条件、载体组成及形貌的改变精细调控金属和氧化物表面之间的相互作用及其对活性物种的影响，研究了材料在毒害性物质消除方面的性能。本课题的研究成果拓展了分析检测技术，为传感器的实际应用提供了技术基础和理论依据。