分级多孔金属氧化物纳米纤维的制备及其气敏特性研究

The nanofibers with hierarchically porous structures show the potential application for the gas sensors with excellent sensing properties due to their large surface to volume ratio, high catalytic activity and less agglomeration. A novel method to fabricate the metal oxide nanofibers with hierarchically porous structures based on electrospinning and plasma etching has been proposed.The nanofibers willl be fabricated with electrospinning and the surface of the nanofibers will be treated with plasma subsequently. The mechanism of the plasma etching on the surface of the nanofibers will be explored and the nanofibers with controlled hierarchically porous structures will be prepared. The selective area deposition of the electrospun nanofibers on the MEMS substrate will be realizated by using the electric field induced collecting method and the mechanism of charge transport and gas adsorption-desorbtion on the surface of the hierarchically porous metal oxide nanofibers will be investigated under the rapid temperature modulation. The enhancement of the gas sensing properties of the hierarchically porous metal oxide nanofibers will be studied. The proposed novel method provides the scientific basis and a new way to develop the gas sensor with high sensitivity, rapid response/recovery and longterm stability.

分级多孔纳米纤维具有比表面积大、表面活性高、不易团聚等优点，在改善气体传感器性能方面具有很好的应用前景。本项目提出结合静电纺丝和等离子体刻蚀技术制备分级多孔金属氧化物纳米纤维的方法，采用静电纺丝方法制备纳米纤维，采用等离子体刻蚀方法进行纳米纤维的表面处理，探索等离子体刻蚀对纳米纤维的表面"雕镂"机理，制备出形貌可控的分级多孔金属氧化物纳米纤维；提出采用电场诱导的方法实现静电纺丝纳米纤维在MEMS微结构衬底上的可控沉积，利用MEMS衬底的快速温度调制特性研究分级多孔金属氧化物纳米纤维电荷输运机制及表面气体吸附/脱附行为，探索分级多孔金属氧化物纳米纤维的气体响应增敏机理，为高灵敏、高稳定、快速响应气体传感器的研制提供新方法及科学依据。

本项目提出了采用等离子体刻蚀技术制备金属及金属氧化物分级多孔纳米结构的方法，掌握了等离子体刻蚀对材料的表面“雕镂”机理，实现了金属及金属氧化物分级结构的可控制备，并研究了其气敏及SERS特性。.优化了静电纺丝制备金属氧化物纳米纤维的工艺参数，研究了聚合物浓度、溶剂种类、金属盐含量、纺丝液供给速度和纺丝电压以及纺丝距离等参数对纤维形貌的影响，制备出直径均匀的SnO2、CuO、ZnO等金属氧化物纳米纤维；探讨了纺丝参数、纤维组分、刻蚀时间对纤维形貌的影响，分析了氧等离子体刻蚀多孔结构的形成机理；采用静电纺丝和等离子体刻蚀技术制备出分级多孔金属氧化物纳米纤维，其中分级多孔CuO纤维膜对乙醇具有更高的灵敏度和更快的响应恢复速度；采用聚合物纤维模板法及溅射法结合，通过电纺、氧等离子体刻蚀、溅射和退火的过程，制备出具有中空和枝干结构的分级SnO2纳米纤维，该纤维膜对1000 ppm乙醇的灵敏度及响应/恢复时间分别为113和8/4 s；以经过氧等离子体刻蚀的PI聚合物为模板，结合溅射方法制备了覆银PI纳米棒阵列，在氧等离子体刻蚀时间为30 s和溅射Ag膜厚度为70 nm的情况下，Ag包覆PI纳米棒阵列具有最大的SERS光谱峰值强度，该方法实现了以柔性聚合物膜片为基底的SERS衬底的简单便捷制备，且覆银PI纳米棒阵列衬底的纳米直径、密度以及间隙具有可调性；以经过氧等离子体刻蚀的电纺PVP纤维为模板，结合溅射方法制备了Ag包覆分级PVP纤维并应用于SERS检测，NB溶液的检测限达10-10 M，衬底上10个随机位置的光谱主峰相对标准偏差低于8%，具有较好的均匀性。.以上研究为高性能气体传感器及SERS衬底的研制提供新方法及科学依据。发表学术论文6篇，其中SCI收录3篇，申请发明专利2项，培养研究生5名。