新型介孔氧化铟基气敏传感器的制备及原位微观敏化机理研究

有毒有害和易燃易爆气体会导致环境破坏，诱发爆炸、火灾及气体中毒等严重问题，解决这些问题的关键是迅速、准确地检测到这些特殊气体的存在。氧化铟对多种气体有较高的灵敏度，也可作为普敏元件应用于有毒有害气体的检漏报警、环境气体的监控。介孔氧化铟纳米材料具有超大比表面积、有序孔道结构、狭窄孔径分布、孔径可调等优点，可满足气体传感器灵敏度高、使用温度低、检测范围宽的要求。本项目选择氧化铟基介孔材料为研究对象，通过合成路线研究，获得微观结构及组成可控的多组分介孔In2O3基气敏粉体材料，采用原子力显微镜联机技术对所获材料进行电学性质的原位表征，探索结构及组分对其气敏性质的作用机理，并以此为基础，制备灵敏度高、稳定性好、低能耗的气敏元件，尝试对特殊气体进行检测。项目将研发出国际先进、具有自主知识产权的纳米气敏器件的核心加工技术，对我国纳米深加工产业的发展起到积极的推动作用。

作为一种新型的敏感材料，In2O3本身的物理、化学性质稳定，并具有工作温度低、对毒害气体选择性好等优点，因而成为继SnO2、ZnO、Fe2O3系气敏材料之后的又一大系列具有应用价值的气敏材料。有序介孔材料的发现，不仅给科学界引入了一种新型的高比表面、孔径、均一、可调，维度有序的纳米材料，而且在某种意义上提供了一种新颖的将无机和有机材料设计、排列成二维或三维周期性排列的纳米复合阵列的思想。. 作为一种新型纳米材料，介孔氧化铟纳米材料具有粒度小、比表面积大、相对气体阻抗变化大等优点，因而可以满足气体传感器灵敏度高、使用温度低、检测范围宽的要求。相比较纳米颗粒材料，介孔氧化铟纳米材料还具有规则有序的孔道结构、狭窄的孔径分布、孔径可调等特点，这种材料的有序孔道可作为“微型反应器”，成为气体的吸附活化中心，更有利于气体分子的吸附，有望使材料的气敏性质有所提高。. 本研究创新性的提出了一种一步合成法，利用由金属离子与嵌段共聚物之间的配位相互作用产生的协同组装效应，直接合成在孔道内包夹了金属氧化物纳米晶的高度有序介孔氧化硅单片材料。并利用这种一步纳米浇筑法，通过在前驱物中加入不同种类的金属硝酸盐，直接合成孔道内包夹了掺杂元素的In2O3纳米晶的SiO2有序纳米介孔材料，再通过溶解的手段去除模板，即可得到所期望的掺杂In2O3有序纳米孔材料。按照这样的合成路线，我们共合成了一系列具有介观结构的稀土元素掺杂氧化铟材料，通过XRD、BET、TEM、ICP等手段对其进行了成份及结构表征，试图了解不同掺杂元素在氧化铟骨架中的分布，以及对产物的结构影响。.在此基础上，我们采用静态配气法，测试了包括甲醇、乙醇、氨气、甲醛、甲苯、丙酮、硫化氢等多种单一和混合气氛环境下，各含不同稀土掺杂元素的氧化铟材料对气体的响应性能。结果表明，稀土元素Dy, Yb, Pr掺杂的介孔氧化铟材料对氨气的响应效果良好，即使在混合气氛中也具有响应快，选择性高的特点。。稀土掺杂材料制成的气敏原件在混合气氛下仍对氨气具有高选择性、不易受干扰、响应恢复快等优点。该类材料有望在环保、室内气体监控等方面具有良好的应用前景。