《氣敏性能導向的準二維氧化物分級結構設計及缺陷調控》是依託天津理工大學，由張樂喜擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：氣敏性能導向的準二維氧化物分級結構設計及缺陷調控
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：張樂喜
- 依託單位：天津理工大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
苯類氣體由於高毒性和強致癌性引發了嚴重的環境和健康問題，然而苯類分子對稱性高難以氧化，氣敏材料對該類氣體的靈敏度和選擇性普遍較低而工作溫度偏高。本課題擬發展低溫液相方法合成富給體缺陷的準二維氧化物分級結構，最佳化合成和後處理條件，系統研究缺陷類型和數量調控，提供一系列苯類氣敏性能優異的功能納米材料。調控缺陷類型能改變不同施-受主能級的相對位置，實現半導體能帶與苯類氣體能級的合適匹配，提高選擇性；增加給體缺陷數量不但能增加耗盡層厚度，提高靈敏度，而且能增強氧氣對表面電子的捕獲能力，降低表面反應活化能，降低工作溫度。進而，以表面缺陷調控為中心，建立氧化物微觀結構與氣敏性能之間的內在關聯，為製備兼具高靈敏度高選擇性和低工作溫度的苯類氣敏材料提供理論指導和實驗借鑑。本課題有助於深化對氧化物缺陷和能帶結構的理解，加深對氣敏機理的認識，對推動氧化物納米材料的功能導向性研究具有重要的科學意義和實用價值。
結題摘要
揮發性有機物(VOCs)具有較高的毒害性和易燃性，極低濃度即可引發嚴重的健康和安全問題。氣體感測器是檢測VOCs的有效手段，但主流氣敏材料—氧化物的靈敏度和選擇性普遍較低而工作溫度偏高。本課題旨在發展簡便方法合成富缺陷的準二維氧化物分級結構，調控表面缺陷含量和種類，提供了一系列對VOCs氣敏性能優異的功能納米材料，進而探究其增敏機制。基於水熱法合成了單晶介孔ZnO納米片，對乙炔表現了優異的氣敏性能，獲得了目前乙炔回響的最高靈敏度，氣敏增強來源於缺陷和形貌的共同作用；基於沉澱法合成了單晶ZnO納米片，顯示了優異的丙酮氣敏性能。通過煅燒控制缺陷含量，在排除比表面積等因素的影響下，證實了表面缺陷含量對氣敏回響的正相關作用；採用溶劑熱法合成了Co3O4納米片，研究了不同熱處理溫度對形貌和結晶度的影響。納米片的氣敏和吸附性能表現出尺寸依賴性，厚度越薄則性能越好；利用熔鹽法合成了鈮酸鹽鈣鈦礦固溶體Ba5-xSrxNb4O15 (x = 0-5)，發現A5Nb4O15 (A = Ba, Sr)的A位離子替代是最佳化其濕敏性能的有效手段；利用固相法合成了稀土離子A位摻雜的鉭酸鹽鈣鈦礦K(K1.5Eu0.5)Ta3O10，並首次研究了其濕敏性能。較高的靈敏度和快速回響暗示了該材料的實用化前景；採用熱縮合得到了石墨相氮化碳g-C3N4納米片，進而通過鎂熱還原合成了富氮缺陷g-C3N4-x，在碳基鋰電負極材料中達到了目前最高的可逆循環比容量。基於缺陷調控策略，本課題獲得了幾種具有實用化前景的功能材料，更重要的是，本課題有助於深化對氧化物和氮化物表面缺陷和能帶結構的理解，對推動這些材料的功能導向性研究，比如氣/濕敏、吸附和鋰電等，具有重要的科學意義。
