面向大气环境污染气体检测的半导体氧化物纳米纤维气体传感器的研究

Metal oxide semiconductor gas sensor is a solid state sensitive device with high sensitivity and quickly response and recovery. But the concentration limit of detection, selectivity, and anti-humidity ability has not reached the requirements of air pollution typical gas such as NOx and SOx. Sensitive material is the key factor to determine the performance of the sensor. This project adopts coaxial electrospinning technology to prepare hollow structure and coaxial heterostructure nanofibers, and through the water/solvent thermal method growth hierarchical nanostructures. Design the composites materials according to the band structure and work function by reasonable matching. The sensitivity, selectivity and anti-humidity of the sensor will be improved by the loading of graphene and the selective modification of hydrophobic groups. Through the "coaxial heterostructure sensitization", "hierarchical structure sensitization" and "graphene loading sensitization", we will obtain NOx and SOx gas sensor with low detection limit (2 ppb) and high sensitivity (≥3) and high reliability by synergistic effect. Through the research work carried out in this project, the theoretical model of the role between the low-dimensional heterogeneous materials and target gas will be established. The sensitive mechanism of the composite oxide heterostructure and the target gas molecular will be rich. Provide the core technology and key components for atmospheric pollution monitoring network.

金属氧化物半导体气体传感器是一种灵敏度较高、响应恢复快的全固态敏感器件，但其浓度检测下限、选择性、抗温度干扰能力还没有达到 NOx和SOx等典型的大气污染气体检测的要求。敏感材料是决定传感器性能的关键因素，本项目采用同轴静电纺丝技术制备中空结构、同轴异质结构纳米纤维，并通过水/溶剂热法生长分等级结构，根据能带结构、功函数等进行合理的匹配设计合成复合材料，通过石墨烯的负载修饰、疏水性基团的选择性修饰提高传感器的灵敏度、选择性和抗湿度干扰能力。本项目通过“同轴异质结构增感”、“分等级结构增感”和“石墨烯修饰增感”三种増感方法及其协同作用，获得低检测限（2 ppb）、高灵敏（≥3）、高可靠性的NOx和SOx气体传感器。通过本项目研究工作的开展，建立低维异质结构材料与目标气体作用的理论模型，丰富复合氧化物异质结构与目标气体分子的作用机制及敏感机理，为大气污染环境监测网络提供核心技术和关键器件。

基于高压静电纺丝技术，以半导体金属氧化物为研究对象，制备低维纳米纤维敏感材料，并研制具有高灵敏性气敏度传感器。在项目执行期内，取得以下成果：①以半导体金属氧化物为主要研究对象，制备多种低维纳米纤维复合敏感材料，以SnO2为基础，分别合成了TiO2-SnO2、WO3-SnO2、SnO2-In2O3和Au掺杂的核壳异质结构纳米纤维，并研究了复合材料的气体敏感性能，分析了异质结构提高器件性能的反应机理。②以分等级结构为基础，制备异质结型结构，探究基于异质结效应的增感机理。对低维异质结构、对掺杂及电子的传输理论更深入了研究。针对本项目需要检测的大气污染气体，做了目标明确的设计，开发了低检测限、高灵敏的NO2气敏元件。③以开发高性能RGO基室温气体传感器为目标，系统地研究了敏感材料表面微观结构与气体传感器敏感性质之间的关系，通过表面调控、表面修饰及贵金属掺杂等方法提升传感器的敏感性能，深入研究表面吸附氧及水分子在材料表面发生的化学反应，为研发高性能室温气体传感器提供理论和实验依据。本项目以提高半导体金属氧化物传感器的性能为目标，提出敏感材料的低维化、纳米化和异质结构的设计策略。通过“同轴异质结构增感”“分等级结构增感”和“石墨烯修饰增感”三种増感方法及其协同作用获得低检测限、高灵敏、高可靠性的气体传感器，为大气污染环境监测网络提供核心技术和关键器件。