低維光學氫敏材料的理論設計與研製

《低維光學氫敏材料的理論設計與研製》是依託同濟大學，由高國華擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：低維光學氫敏材料的理論設計與研製
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：高國華
• 依託單位：同濟大學

中文摘要

氫能源以其清潔、高效、可循環利用的特點，已被視為21世紀最具發展潛力的新能源。然而氫氣無色、無味，卻又易燃、易爆，且分子小極易泄露，這些特點給氫氣的儲藏、運輸和使用帶來諸多安全問題。因此研製可靠、靈敏、高效、穩定的氫氣感測器就顯得尤為重要。本項目採用基於第一性原理的計算方法，模擬不同WO3納米結構對氫原子的吸附和擴散特性，從理論上設計氫敏性高的WO3納米結構；採用水熱法、溶膠凝膠法、模板法，結合計算設計從實驗上製備出高靈敏性、快速回響的低維光學氫敏WO3材料；通過WO3納米結構與氫原子的相互作用、吸附結合能、擴散勢壘、電荷密度和磁密度分布、及其氫敏反應動力學過程的模擬、納米WO3的幾何和電子結構動態演變與氫敏特性的關係、低維納米結構實驗製備控制、氫敏巨觀實驗表征與材料微觀理論分析的有效結合、光學氫敏反應模型的電化學理論分析等研究，為研製和開發高性能光學氫敏材料提供理論和實驗基礎。

結題摘要

本項目通過理論計算的方法建立了WO3的納米顆粒、納米線、納米片等結構，採用第一性原理的方法詳細研究了WO3共邊與共角結構下的零維、一維、二維、三維納米結構WO3的氫氣氣敏性能，結果顯示在納米結構中增加共邊結構有利於提高WO3材料的結構穩定性和氫離子擴散性能。結合溶膠凝膠法通過多步水解控制、模版劑複合、水熱法製備了WO3/SiO2複合溶膠、WO3介孔薄膜、WO3納米線氣敏薄膜，通過控制溶膠的反應溫度、水解時間、PH值、化學計量比以及紫外光輻照等方式，控制生長了具有共邊結構、高穩定性和高靈敏性的WO3納米結構材料。其中WO3納米顆粒常溫氣敏穩定性可達到2000次以上。通過線上綜合測試分析WO3納米結構薄膜的氫氣致色性能獲得WO3在致色過程中發生的結構改變。系統研究了化學組分、納米結構對氫敏反應的活性和致色回響速率的影響。結合第一性原理的計算方法分析了納米結構與氫氣相互作用過程對材料自身幾何和電子結構的影響。通過線上測試的方式研究了WO3氣敏變化中的結構、物相與雙注入和氧空位模型中的關係，並建立了氫敏反應過程和動力學模型。採用循環伏安、交流阻抗譜等電化學輔助手段，對WO3電致變色薄膜的致褪色過程進行了對比。綜合分析了WO3薄膜和粉末的氣致變色過程和實驗現象，提出了一種與注入驅動能量有關的氣致變色的機理模型，實驗結果與理論模型吻合。基於氫離子的理論研究的基礎上，我們進一步拓展了Mg、Li離子的輸運研究，探尋了其他一價、二價粒子的輸運特性，該研究方法可以進一步為研究其他離子的輸運特性作為一個重要的參考依據。在本項目的研究基礎上，我們還拓展了WO3多孔納米球薄膜的製備及其變色熱穩定性的研究，並取得了良好的效果。結合本項目的研究，我們發表了12篇高質量的SCI論文，5篇EI文章，申請了1項專利。本項目的研究完成了預期目標，其研究結果為離子輸運研究提供了一個新的參考方向。