针对主要室内污染气体的QCM传感器的制备与性能研究

The project would explore preparation of nanostructured metal oxide (MO), composite metal oxide (CMO) and functionalized graphene oxide (f-GO) and their application as quartz crystal microbalance (QCM) sensing layers for the principal indoor gaseous pollutants: formaldehyde, benzene, toluene and xylene. Major contents would include: design, preparation, characterization of MO, CMO and f-GO; their sensing properties (sensitivity, response and recovery time, selectivity, reproducibility and stability) and mechanisms to formaldehyde, benzene, toluene and xylene; design, construction and testing of prototype devices and gas switches. The as-prepared QCM sensors will have high sensitivity (0.01 mg/m3), fast response time (2 minutes), high selectivity, good reproducibility and stability. Through investigation, the intrinsic interactions between sensing materials and formaldehyde, benzene, toluene and xylene will be unveiled, respectively and the sensing mechanisms will be proposed. The gas switches for formaldehyde, benzene, toluene and xylene will be designed and prepared. The QCM sensors and sensor arrays with independent intellectual property rights and high performances will be prepared and tested towards formaldehyde, benzene, toluene and xylene。

拟开展纳米结构的金属氧化物、复合金属氧化物和功能化氧化石墨烯的制备及其作为敏感膜修饰的QCM传感器对主要的室内污染气体（甲醛、苯、甲苯和二甲苯）的传感检测研究。主要研究包括：纳米结构的金属氧化物、复合金属氧化物和功能化氧化石墨烯材料的可控制备、表征；相应QCM传感器对甲醛、苯、甲苯和二甲苯的传感性能（灵敏度、响应和恢复时间、选择性、重复性和稳定性）和传感机理；原型便携式QCM传感器样机和气体开关的制备和测试。所制备的QCM传感器对灵敏度达到0.01 mg/m3，响应时间小于2 min，选择性高，重复性和稳定性较好。阐明敏感材料与甲醛、苯、甲苯和二甲苯的相互作用机理，相应QCM传感器的传感机理。选择对甲醛、苯、甲苯和二甲苯具有良好传感性能的QCM传感器设计制备成气体开关。开展传感器阵列研究，研制出具有自主知识产权的高性能的针对主要室内污染气体甲醛、苯、甲苯和二甲苯的便携式QCM传感器。

室内空气质量对人体健康就有着巨大的影响。虽然，室内污染气体的浓度往往较低，但由于接触时间很长，故其累积接触量很高。针对主要的室内污染气体甲醛、苯、甲苯和二甲苯开展实时快速的传感检测研究有着重要的意义和广阔的应用前景。随着纳米科学与技术的进步，制备了大量的新颖的纳米材料，为开发新的敏感膜提供了空前的机遇。本项目成功的制备了多种纳米结构的二氧化硅，功能化的二氧化硅、氧化铜、氧化钨、氧化铁、铜锰复合金属氧化物、铯钨青铜和氧化钨复合金属氧化物、氧化石墨烯和还原氧化石墨烯等材料。研究了反应条件与产物结构之间的关系。将所制备的纳米材料修饰到QCM晶振上制备得到了相应的QCM传感器，并对甲醛、苯、甲苯和二甲苯等目标检测物开展了传感性能检测与评价。其中氨基功能化的二氧化硅和铜锰复合金属氧化物修饰的QCM晶振对甲醛气体有着较好的传感性能，60 s即有较大的频率响应信号，最高检测限可达0.003 mg/m3，有着良好的重复性能和稳定性能，60天之后仍保持着良好的传感性能。频率响应信号与甲醛浓度之间的线性关系可以实现对甲醛的定量检测和实时浓度监测。其中的花状氧化钨和铯钨青铜和氧化钨复合金属氧化物修饰的QCM传感器对苯、甲苯和二甲苯有着良好的传感性能。60 s时就有着较大的频率响应信号，具有良好的重复性和稳定性，最低检测限均超过了0.01 mg/m3，频率响应信号与浓度之间的线性关系可以实现对苯、甲苯和二甲苯的定量检测和实时浓度监测。通过集成电路设计，引入起振、检测、显示等功能，成功设计制备了便携式的QCM传感器。到2019年底在国内外期刊上共发表学术论文5篇，会议论文1篇，出版专著章节2章节，申请发明专利2项，培养博士生2名，硕士生2名。其中申请人于2018年12月份晋升副高级职称。于2017年10月份，参加第九届全国环境化学大会。