α-Fe2O3基纳米材料高能表面金属原子结构、配位与气体传感性能的关联性及其机制研究

Based on a thought of enhancing sensing performances by increasing the number of unsaturated metal atoms at α-Fe2O3 nanostructured nanomaterial surfaces, α-Fe2O3 nanostructured nanomaterials with exposed various high energy Fe-Fe2O3 facets are synthesized by utilizing the selective absorption of crystal plane control agents by the hydrothermal, solventhermal and high temperature thermal reaction methods. Gas sensing properties of the α-Fe2O3 nanostructured nanomaterials toward hydrogen, ethanol, carbon monoxide, ammonia and other gases were enhanced by removing the crystal plane control agents and hydroxyl groups at the Fe-Fe2O3 surfaces, doping with Al or Sn element and decorating with Ag nanoparticles at the high energy Fe-Fe2O3 surfaces selectively, to obtain high sensitivity α-Fe2O3 based nanostructured materials. The α-Fe2O3 based nanostructured materials are characterized by SEM, XRD, TEM IR，XPS，SPM, corrected scanning spherical aberration TEM and other technologies, structure of the high energy Fe-Fe2O3 and Fe-Fe2O3 crystal facets doping with Al or Sn are investigated by density functional theory. Thus, the morphology, crystal structure, exposed facets and structures of the Fe-Fe2O3 and Fe-Fe2O3 surfaces doping with Al or Sn and decorating with Ag are confirmed. The correlation between the gas sensing properties and the surface metallic atom structure and coordination of α-Fe2O3 based nanostructured materials are analyzed, the sensing reaction mechanism is presented at atomic and molecule level, and the fundamental reason for enhancing sensing performance is revealed. A new theory and a strategy are provided for design and fabrication of the metal oxide semiconductor oxide gas sensing materials and devices with high performances.

基于提高α-Fe2O3纳米材料表面不饱和金属原子数量增强气敏性能的思想，本项目采用水热/溶剂热和溶液高温热反应，利用晶面控制剂的选择性吸附，制备暴露不同高能Fe-Fe2O3晶面的α-Fe2O3纳米材料。通过去除Fe-Fe2O3表面的控制剂和羟基，在Fe-Fe2O3表面选择性掺杂Al、Sn和负载Ag增强其对氢气、乙醇、一氧化碳和氨气等气体的响应特性，获得高灵敏度α-Fe2O3基传感材料。采用SEM、XRD、TEM、IR、XPS、SPM和球差校正透射电镜等表征α-Fe2O3基纳米材料，结合密度泛函理论计算，确定其形貌、晶体结构、暴露晶面、Fe-Fe2O3及其掺Al、Sn与负载Ag的表面结构。分析α-Fe2O3基纳米材料表面金属原子结构、配位与气敏性能的关系，在分子、原子水平上阐明气体传感反应机制，揭示气敏性能增强的根本原因，为高性能半导体氧化物气体传感材料与器件的研究提供新策略和理论依据。

基于提高表面不饱和金属原子数量和密度增强-Fe2O3纳米材料气敏性能的思想，本项目采用水热/溶剂热和溶液高温热反应法，基于无机阴离子等晶面控制剂的选择性吸附，成功制备出了暴露{111}晶面Cu2O、CdO、MnO、Co3O4、Fe3O4和Cu0.27Co2.73O4八面体结构，暴露{001}晶面的a-Fe2O3纳米片结构;暴露{001}晶面的ZnO纳米片结构，通过氢化去除这些氧化物纳米材料表面的晶面控制剂和羟基等基团，发现氢化后它们的气敏性能都显著增强，这表明这些纳米材料表面不饱和的金属原子是气体传感反应的活性中心，并在原子和分子水平上提出了表面不饱和的Fe、Ni、Cu、Cd、Mn及Co原子为气体传感活性位的反应机制，初步建立了具有普遍意义的表面不饱和金属离子为传感反应活性位传感机制。这为高性能半导体氧化物气体传感材料与器件的研究提供新策略和理论依据。.2015年，我们首次提出了ZnO(001)和(00-1)极性晶面间内电场驱动电荷分离的光催化机理，为了进一步说明这种极性结构具有增强光催化活性，我们通过制备暴露{111}极性晶面的Fe3O4八面体以TiO2纳米管和纳米线增强其光催化性能，通过氢化进一步提高其光催化性能，提出了相应的机理。随后系统分析了目前所报道具有增强光催化性能的极性结构特点，提出了具有普遍意义的光催化模式。为进一步证明极性晶面间自发电场存在，我们在ZnO单晶非极性(10-10)晶面的[0001]极性方向首次观察到自发电场的存在及其驱动电子的定向迁移，这将提供一种控制电子的新方式，为极性结构光电材料与器件的发展奠定了基础。.此外，在制备出的具有不同[002]取向的ZnO薄膜中，发现了其光伏、整流和压电性能都随TC(002)值的增加而增加，并且在[001]方向施加压力可使其压电发电、光伏和整流性能都减弱和消失等现象，表明ZnO薄膜中的自发极化在ZnO薄膜纳米发电机中起着至关重要的作用，基于ZnO [001]极性方向的原子排列，在原子水平上提出了新压电发电机制，这一机制将改变现有压电发电理论，为新型高性能电子材料和器件的设计与开发提供了有效的策略。