开放式多孔SnO2/ZnO@三维石墨烯异质复合材料及其选择性高灵敏气敏特性研究

SnO2 gas sensor can be used in real-time detection and analysis of a variety of gas, and it is the most studied and valuable semiconductor gas sensor with low cost, but the lack of selectivity and sensitivity limits its wide application and development. The project aims to build SnO2/ZnO heterogeneous on three-dimensional graphene, and improve the selectivity and sensitivity of the resultant open porous sensing materials. Herein, the first step is to develop methods and principle for controllable constructing SnO2/ZnO heterostructure on three-dimensional graphene, synthesize porous SnO2/ZnO @ graphene heterogeneous composite, and construct sensor based on the sensing materials. Then the selectivity of the heterogeneous composite to the target gas (hydrogen sulfide and formaldehyde) will be studied, and the influence for the pore size distribution, heterostructure thickness, and grain size of the sensor on the selective sensing performance will be revealed. Finally, the advantages and the mechanism of three-dimensional graphene in improving selective gas sensing performance of SnO2/ZnO heterostructure will be clarified. Based on this, the internal relationship between the microstructure and related properties and performance of the heterogeneous composite would be established. Thus, SnO2 based gas sensors with high selevtivity, sensitivity and fast response will be developed. The expected results of this project will provide theoretical basis and technical support for the design and preparation of gas sensors with high sensing performance.

SnO2气体传感器能够实时对各种气体进行检测和分析，是目前研究最多、应用价值最高的低成本半导体氧化物气体传感器，但由于缺乏对单一气体的选择性且灵敏度有待提高限制了其广泛应用和发展。本项目拟通过SnO2和ZnO在三维石墨烯上构筑异质开放式多孔结构，显著提升传感器选择性和响应灵敏度等气敏性能：发展SnO2/ZnO异质结构在三维石墨烯骨架表面可控组装的原理和方法，合成开放式多孔SnO2/ZnO@三维石墨烯异质复合气敏材料并构筑传感器。研究异质结构组成对目标气体（硫化氢和甲醛）的选择性，揭示孔径分布、异质结构层厚度、晶粒大小对传感器选择性响应灵敏度的影响规律，阐明三维石墨烯在提高SnO2/ZnO异质结构气敏性能方面的优势和作用机制；建立材料微观结构与宏观气敏性能之间的内在关联，最终发展出具有选择性、高灵敏快响应的SnO2基气体传感器。预期成果将为高性能气体传感器设计和制备提供理论依据和技术支撑。

气体传感器能够实现对多种气体的在线检测和分析，因而在环境，民生/工业安全等领域扮演着重要的角色。本项目原计划拟通过SnO2和ZnO在三维石墨烯上构筑异质开放式多孔结构来提升半导体氧化物SnO2气敏性能，从而得到高选择性和响应灵敏度的传感器。而在实际实施中，制备出来的SnO2/ZnO@三维石墨烯复合材料样品，由于颗粒大导致其成膜后接触性差而无法得到很好的性能。考虑到尖晶石结构的半导体氧化物作为气体敏感材料与SnO2半导体氧化物具有相似的优势的同时也面临气敏性能亟待提高的不足之处，因此将原计划SnO2材料调整为尖晶石半导体氧化物，通过构筑其多孔异质复合结构来得到高性能的传感器材料。主要的研究结果如下：1）发展方法合成了石墨烯掺杂尖晶石化合物MgGa2O4复合材料，并研究了异质结构组成、晶粒大小以及形貌对复合材料传感器选择性响应灵敏度的影响，通过调控并优化石墨烯的掺杂量和复合材料结构，实现了其在室温下对乙酸气体的高响应快速检测。（2）发展构筑异质开放式多孔结构的ZnO/ZnFe2O4复合材料的方法，通过控制掺杂条件调整ZnFe2O4/ZnO成分比例以及多孔结构，研究了孔径分布、异质结构比例、晶粒大小对传感器选择性响应灵敏度的影响，实现了对多孔异质复合材料气敏性能的调控。得到了对三甲胺具有良好气敏性能的复合材料。3）通过简便快速的微波辅助水热合成法对NiGa2O4进行La掺杂，通过对La掺杂量等实验条件的改变，调控得到具有不同性质的复合材料，从而实现了其在室温下对目标气体的快速检测。最后还开展了基于聚合物聚(3,4-乙烯二氧噻吩)和聚苯乙烯磺酸来修饰MXene的复合薄膜传感器，实现了室温下对氨气的检测。该研究为日后利用MXene来改变半导体氧化物气敏性能奠定了基础。在项目的完成过程中，发表SCI论文7篇，申请国家发明专利2件。培养5名硕士研究生。