基于碳纳米材料/金属氧化物复合结构的低温柔性气体传感器研究

Detection of indoor volatile organic compounds (VOC) has become an urgent demand for people to pursue green life. However, the widely used metal oxide gas sensors are unable to meet the actual needs in the fields of low working temperature and flexibility. Carbon nanomaterials and metal oxides are the core research objects in this project. Cryogenic flexible gas sensors based on carbon nanomaterials/metal oxide composite structure using flexible substrates were proposed based on the advantages of low temperature of carbon nanomaterials and high sensitivity of metal oxides. The research will be gradually expanded in the following order: (1) Metal oxides and carbon nanomaterials (mainly graphene and carbon nanofibers) will be combined by various synthesis methods using the synergistic effect of the two. It aims to improve the gas sensing properties of semiconductor gas sensors. (2) Flexible substrates will be used to replace the traditional rigid substrates to fabricated flexible gas sensors. The gas sensing properties of the above flexible gas sensors at low working temperature will be tested. (3) The first principles simulation models of carbon nanomaterials/metal oxides/gas adsorption-desorption will be established and the gas sensing mechanism of carbon nanomaterials-metal oxides-gas molecules will also be proposed. The research of this project will provide some experimental and theoretical support for solving the problem of low power and flexibility of semiconductor gas sensors.

检测室内挥发性有机化合物（VOC）已成为人们追求绿色生活的迫切需求，然而当前广泛应用的金属氧化物气体传感器在低温工作、可柔性方面已经不能满足实际需要。本项目以碳纳米材料、金属氧化物为核心研究对象，利用碳纳米材料的低工作温度和金属氧化物高灵敏度的优势，采用柔性衬底提出了一种基于碳纳米材料/金属氧化物复合结构的低温柔性气体传感器。研究内容按如下顺序依次展开：（1）采用多样的合成方法将金属氧化物与碳纳米材料（主要指石墨烯、碳纳米纤维）进行复合，利用二者的协同效应，改善半导体气体传感器的气敏性能；（2）采用柔性衬底取代传统的刚性衬底制备柔性气敏元件并进行低温气敏测试；（3）建立碳纳米材料/金属氧化物/气体吸-脱附的第一性原理仿真模型，提出碳纳米材料-金属氧化物-气体的气敏响应机理。本项目的研究将为解决半导体气体传感器在低功耗和可柔性方面的问题提供一定的实验和理论支持。

为了解决VOCs气体传感器工作温度高、选择性不佳、抗湿性能差、器件不可柔的发展瓶颈，本项目将传统的金属氧化物和不同维度的碳纳米材料进行复合形成碳纳米材料/金属氧化物敏感材料，利用二者的协同作用显著降低了金属氧化物/金属氧化物异质结气敏材料的工作温度，实现室温检测。此外，为了满足器件柔性的需要，用柔性衬底代替刚性衬底制作成气敏元件。为了实现上述目标，主要展开如下工作：第一，设计和制备了两种不同形貌的碳纳米材料/金属氧化物，以聚丙烯腈为碳源，利用静电纺丝和高温碳化相结合的方法，制备了氧化锌和碳纳米纤维的复合纤维（ZnO@CNF）；利用坏血酸为模板，利用水热合成方法制备了SnO2量子点/氧化石墨烯复合材料，并展开了气敏特性的研究。第二，系统研究了n-n型、p-n型金属氧化物异质复合材料中不同金属组分对形貌、结构、气敏特性的影响，针对气敏测试中的p-n导电类型转换现象进行了分析。第三，采用PET柔性衬底取代陶瓷管、陶瓷片等刚性基底制作柔性气敏元件，并进行了弯曲测试及抗疲劳测试。第四，作为本项目的延伸，系统开展了基于金属有机框架MOF的复合材料的制备及在呼气标志物检测中的研究。通过本项目的实施，为开发便携、实用、能进行无创检测的可穿戴气体传感器提供了技术支撑。共发表论文3篇，另外3篇文章在投，培养硕士研究生5名，指导本科生5人。