基於花粉和葉子結構的氣敏材料研究

《基於花粉和葉子結構的氣敏材料研究》是依託上海交通大學，由蘇慧蘭擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於花粉和葉子結構的氣敏材料研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：蘇慧蘭
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

啟迪於天然生物材料精美分級結構所表現出的特別功能，結合氣敏性質對材料結構和組成的要求，本項目擬以仿生、生物模板、生物礦化的合成思想為指導，設計製備具有多孔分級結構的金屬氧化物系列納米材料套用於氣敏研究。花粉、葉子等生物材料被選擇作為模板在金屬鹽溶膠介質中進行浸漬處理，經過溶膠-凝膠過程並輔助熱處理，生物模板經歷了多種物理化學反應引導控制無機納米粒子的原位形核並對模板結構複製，製備由金屬氧化物納米單元有序構築的多孔分級結構氣敏材料。對製備過程的模板作用機理進行分析,研究從天然生物材料到多孔分級結構納米材料的結構傳承和成分轉化規律,為製備精細複雜結構的功能材料提供新思路。對氣敏性質進行分析評價，研究材料的組成結構與氣敏性質之間的耦合回響關係，剖析氣敏過程的作用機理並嘗試建立理論模型，為研製開發新型結構的氣敏材料提供理論依據和實用途徑。

結題摘要

一些生物材料所具有的精細分級結構和生物自組裝體系有利於物質傳輸和發生表面反應，這為構築精細分級結構的氣敏材料提供了藍圖。本工作從結構性生物模板、自組裝生物模板和功能性生物模板的角度出發，充分利用生物分子的表面活性，探索了開放式、疏鬆薄壁型以及同時具備以上兩特點的複雜分級多孔結構的製備方法及相關金屬氧化物氣敏材料的潛在套用價值，分析了多孔分級結構及其組分最佳化對氣敏材料性能的影響規律及耦合作用機制。主要研究內容及取得的成果如下： 基於疏鬆薄壁骨架的需求，啟迪於生物膜薄的厚度和強的自組裝能力，探索直接利用油菜花粉類生物膜的自組裝體系來合成具備疏鬆薄壁骨架特點的三維分級多孔結構的方法，得到疏鬆薄壁骨架的三維分級多孔金屬氧化物納米材料，並揭示了氣敏性能的改變主要歸結於疏鬆多孔性對分級骨架上氣體傳輸效率的調控作用。 為綜合利用開放式和疏鬆薄壁型分級多孔結構的優勢特徵，從功能性生物模板的角度出發，通過利用生物模板表面活性生物分子對前驅離子較強的吸附能力，開發了兩步浸漬過程與熱處理相結合的方法來實現功能化生物分級多孔結構的複製，製備出同時具備三維開放性和疏鬆薄壁骨架特點的分級多孔結構的氣敏材料，並從材料比表面積、表面粗糙度、顆粒堆積模型和晶粒尺寸的協同作用等方面研究了骨架疏鬆多孔性對金屬氧化物材料氣敏性能的影響。 從組分最佳化角度對金屬氧化物材料進行改性，通過PdO對以生物模板所製備的多孔分級結構SnO2的可控表面修飾（Pd/Sn原子摩爾比在0~3.82%之間），所製備的複合材料在氣敏性能上有較大提升，尤其在降低最佳工作溫度、提高氣敏回響值、加快回響-回復速度等方面有明顯優勢。分析了PdO含量對氣敏性能的影響及調控作用機制，發現Pd/Sn以2.89%為分界點，PdO分別以小顆粒和團聚態存在對SnO2晶粒生長和顆粒團聚進行調控，從而決定了複合材料的微結構和表面特性，這二者的協同作用又最終表現出氣敏性質的綜合改善。 本研究為高效氣敏材料的結構設計和組分最佳化提供了思路，為新型功能材料的開發提供了方向和實驗依據，特別是對當前多層次多維數乃至結構功能一體化的新材料研究具有重要的意義。