高能晶面SnO2的设计合成、表面可控修饰及其气敏机制研究

Metal oxide semiconductor (MOS) materials gas sensor has been used comprehensively in detecting the gas pollutants, and it is an urgent mission for the academia and industry to develop MOS materials with much higher gas sensing properties. SnO2 is regarded to be the best MOS gas sensing materials because of the high stability and low cost, and also is one of the research hotspot of gas sensing materials. In this proposal, we specifically propose to build composite gas sensing materials with high performance by means of rational design of the materials surface/interface, based on the principle of gas sensing materials. First, high-energy facets SnO2 nanocrystal will be prepared by means of crystal regulation, improving the gas sensing performance. Furthermore, noble metal catalyst with specific microstructure and surface defects will be controllable decorated on the surface of the SnO2 nanocrystal, making use of the specificity of noble metal catalyst to compound the high-energy facets, to promote the gas sensing properties of SnO2 further. We will optimize the best gas sensing materials structure model by means of research the gas sensing mechanism of high-energy facets SnO2 nanocrystal, the impact of component, dimensions, morphology, exposed facet and surface defect of catalyst, and the interface synergistic effect of SnO2 and the catalyst on the gas sensing performance, establishing the theoretical basis to develop new high-performance gas sensors.

半导体金属氧化物气体传感器在当前的气体污染物检测方面应用非常广泛，开发更高性能的半导体气敏材料成为了学术界和产业界的一项重要任务。SnO2由于其高稳定性和低成本等优点，是公认的优异的气敏响应材料，也是气敏材料的研究热点之一。本项目，从气敏反应的基本原理出发，提出通过材料晶面/界面的理性设计，构建性能优异的复合气敏材料。首先，通过对SnO2的晶面调控，制备出具有高能晶面的纳米SnO2气敏材料，并优化其气敏性能；进一步在SnO2表面原位可控修饰具有特定微观结构、表面缺陷的贵金属催化剂，利用贵金属催化剂的特异性以及与高能晶面的复合，来进一步提升SnO2气敏性能。项目通过研究纳米SnO2高能晶面的气敏机理，催化剂组成、尺寸、形状、暴露晶面、表面缺陷，以及SnO2与催化剂界面的协同效应等对其气敏性能的影响，优化出气敏性能最优的气敏材料结构模型，为开发新型高性能气体传感器奠定理论依据。

随着人类安全意识和环境保护意识的提高，对于大气污染物的监测和控制引起了越来越多研究者的注意，研制高性能低功耗的气敏传感器成了当务之急。基于氧化物半导体的气体传感器具有灵敏度高、成本低、功耗低、易于集成等优点，已成为检测各种有害、易爆、有毒气体的有效方法之一，开发更高性能的半导体气敏材料成为了学术界和产业界的一项重要任务。本项目聚焦SnO2气体敏感材料，针对实际应用中存在的问题展开研究，通过形貌、晶面、晶型等调控增强其气敏特性，在此基础上，通过多种手段调控纳米材料的氧空位，围绕表面氧空位含量与材料气敏响应性能的构效关系，研究了表面氧空位调控对材料气敏特性的影响；通过构建异质结利用不同材料间的协同催化作用进一步增强气体选择性和灵敏度；通过SnO2与聚合物材料复合，利用材料与共轭分子链之间的共轭效应及纳米晶修饰聚合物形成的异质结对气体响应特性的协同效应进一步优化材料对气体的响应特性。通过研究气体在SnO2基材料表界面的反应过程，明确目标气体在金属氧化物表面的吸附、氧化还原动力学机制及各种内在和外界因素对吸附/敏感材料响应过程的影响规律，最终开发出具有优异灵敏度和稳定性的传感器，为低浓度有毒有害体的长期在线监测目标的实现做贡献。