摻雜一維納晶金屬氧化物氣敏材料與敏感機制研究

《摻雜一維納晶金屬氧化物氣敏材料與敏感機制研究》是依託北京化工大學，由白守禮擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：摻雜一維納晶金屬氧化物氣敏材料與敏感機制研究
• 依託單位：北京化工大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：白守禮

項目摘要

本項目採用氣相法和溶液法研製一維高表面與體積比、具有一定形貌和尺寸的納晶ZnO和SnO2，用低溫一步電沉積法製備新型多孔ZnO和SnO2納晶薄膜，該薄膜具有大比表面，確保對待測氣體的大吸附量，並有暢通電子輸送通道的功能，選擇不同有機物分子能有效調控納晶薄膜的孔徑大小和分布，這是當前最具競爭的新一輪半導體氣敏材料。用各種分析方法表征材料的晶型、形貌、結構和膜的厚度及氧化物沉積量，並與測定的氣敏性能相關聯，最佳化製備條件、可控參數及感測器的結構和操作溫度。在基材中添加少量金屬或其氧化物進行摻雜或表面修飾進一步提高材料的氣敏性能，考察摻雜方法、摻雜質和摻雜量對氣敏性能的影響，研究摻雜質對基材表面的吸脫附性能、氧化態、能級位置和密度變化的熱力學規律和對電子輸送速度和電子熄滅速度的動力學性能來探討材料的氣敏機制，以此指導新型敏感材料的開發、提高氣體感測器的性能和拓寬其套用領域。

結題摘要

隨著我國經濟持續發展，排放在大氣中的NO2，CO和VOCs等污染物日益迅速增加，破壞生態環境和危害人類健康。特別目前汽車保有量的迅速增加，排出的汽車尾氣的NOx更加嚴重污染環境，它不僅本身有毒，並且是形成酸雨和光化學煙霧的前體物。高靈敏檢測大氣中有毒氣體在當前最具重要的現實意義。本項目採用氣相法和不同種類溶液法研製一維不同形貌和尺寸的ZnO、SnO2和WO3納米晶體，作為氣體感測器的敏感材料。一維納米結構金屬氧化物具有大表面與體積比，不易團聚，晶體結構穩定，形貌多樣且徑向電子遷移速度快的優點，對開發新型氣體感測器具有促進作用，是當前最具競爭的半導體氣敏材料。本項目採用溶液基的溶膠-凝膠法、水熱法、溶劑熱法和微乳液法，選擇不同的酸、有機物或者表面活性試劑作為導向劑，來調控半導體金屬氧化物納米材料的生長，研製出這些一維的半導體金屬氧化物納米材料；用各種分析方法表征材料的晶型、形貌、尺寸、結構及比表面、孔徑大小和分布；經過焙燒後，將材料製作成氣體感測器，測定大氣中的有毒氣體的氣敏性能，如靈敏度，選擇性，回響時間和恢復時間。以多相催化的反應機理，來模擬感測器暫態數據，獲得回響時間與氣體濃度的非線性關係。將測得的氣敏數據與製備參數和表征性能相關聯，來最佳化製備條件，調節可控參數及感測器的結構和操作溫度。同時用低溫一步電沉積法製備新型多孔ZnO納晶薄膜，該薄膜具有大比表面，確保對待測氣體的大吸附量，並有暢通電子輸送通道的功能，選擇不同有機物分子能有效調控納晶薄膜的孔徑大小和分布。本項目在一維納米材料中添加少量金屬和其他氧化物進行摻雜和表面修飾，進一步提高氣敏性能。因為摻雜使原先的半導體出現新的雜質能級，所以它是提高半導體氣敏的一種簡單和有效方法，能增加材料的靈敏度及降低感測器的操作溫度。本項目在ZnO中分別摻入Al，Fe和Pd；在一維的WO3納米棒中摻雜Sb，大大的提高了對CO和NO2的氣敏性能，並研究了摻雜方法、摻雜質和摻雜量對氣敏性能的影響。研究摻雜質對基材表面的吸脫附性能，晶胞參數和晶胞體積的變化以及禁頻寬度和電子結合能的變化，以化學和電子的疊加效應，來探討材料對氣體的敏感機制。該研究可指導新型敏感材料的開發、提高氣體感測器的性能和拓寬其套用領域。