面向大气环境中超低浓度VOCs检测的高性能半导体氧化物传感器的研究

Aimed at the detection of volatile organic compounds (VOCs) in atmospheric environment, development of the gas sensors based on semiconductor oxides with high sensitivity, high selectivity, and high anti-humidity has important scientific significance. The project will integrate semiconductor oxides with hierarchical nanostructures, the technologies of doping and surface modification, and micro-nano electrode, in order to improve the recognition function, transformation function, and utilization efficiency of oxides, thereby enhancing the sensitivity and selectivity of sensor to VOCs; The anti-humidity of semiconductor oxides will be enhanced by the doping of hygroscopic impurities, the surface modification of hydrophobic groups or inorganic component, and ultraviolet light irradiation, which realizes the detection of VOCs in high humidity environment; To provide data for confirming the sensing mechanism in high humidity atmosphere, the surface adsorption behavior and influence on the sensing properties of H2O, O2, and VOCs will be investigated under different humidity. The implementation of this project will not only help to construct practical sensor for detection of VOCs, but also provide new solutions for improvement performance of sensor based on semiconductor oxides.

针对超低浓度大气污染物VOCs的准确检测，研制出高灵敏、高选择和高抗湿的半导体氧化物气体传感器具有重要的科学意义。本项目融合半导体氧化物分等级纳米结构赋予的“材料结构增感”、纳米掺杂和表面修饰技术的“改性增感”和微纳插指电极的“电极结构增感”三级增感策略，增强半导体氧化物的识别功能、转换功能以及敏感体利用效率，进而提升传感器对VOCs气体的灵敏度和选择性；通过掺入吸湿性杂质、表面修饰疏水基团或无机组分和紫外光辅助照射除湿的三级抗湿策略，提升半导体氧化物的耐湿性，实现传感器在高湿环境下对VOCs的准确检测；在不同湿度下，研究H2O、O2和VOCs在半导体氧化物表面上的吸附行为以及对传感特性的影响，明晰高湿环境下的传感机理，为提高抗湿性提供理论支撑。本项目的实施不仅有助于构筑面向大气污染物VOCs检测的实用化传感器，也能为改善半导体氧化物传感器性能提供新的解决方案。

面向大气环境超低浓度挥发性有机化合物（VOCs）的检测，研制出高灵敏、高选择以及低检测限的半导体氧化物气体传感器。经过3年的研究，项目组通过制备特殊形貌的半导体氧化物纳米结构敏感材料，利用其结构优势，提升传感器对目标气体的敏感特性。在敏感材料结构增感的基础上，利用原位掺杂和表面修饰的功能改性技术，调控载流子浓度、表面吸附氧数量和组份间的协同效应，进一步降低传感器检测下限，使其满足大气环境中典型痕量有机小分子和芳香烃污染气体的检测，进而研制出高性能的丙酮、甲醛、甲苯和二甲苯传感器。其中，开发出的4.0 at% W掺杂NiO花球传感器对丙酮的检测下限达到100 ppb，对500 ppb丙酮的灵敏度达到3.9；研制出的SnO2修饰NiO纳米结构传感器对甲苯表现出较好的敏感特性，尤其是其检测下限已经达到10 ppb，比预期目标降低了一个数量级；构建的WO3-NiO复合半导体氧化物气体传感器对二甲苯的检测下限已经达到50 ppb以下；传感器对100 ppb 二甲苯的灵敏度为2.2。通过几种大气环境中典型VOCs气体传感器的开发，不仅能够为半导体氧化物气体传感器的研究提供丰富经验，而且也能够为构建大气环境监测物联网提供核心器件。. 在项目完成的过程中，在Sensors and Actuators B，ACS Sensors，ACS Appl. Mater. Interfaces等高水平刊物上发表SCI检索论文30篇；申请国家发明专利26项，其中授权13项。培养教授1人，国家“优青”1人，协助培养研究生8人（其中博士研究生3人，硕士研究生5人）。项目组成员参加国际会议10余人次，共做国际会议分组报告6次，国内会议邀请报告2次。