无机复合一维纳米纤维的制备及其敏感性质研究

The preparation of materials: Many kinds of metal oxide sensing nanofibers will be prepared by electrospinning technology. This project will be focused on the suitable condition for the formation of nanofibers or composite nanofibers. Co-axial electrospinning will be applied for the preparation of hollow nanofibers with metal or metal oxide inside the channels. Metal, Metal alkoxides or nanoparticles will be introduced in the solution for the preparation of homogeneous nanofibers. A new sensing film (particles or other forms) will be grown on the nanofibers by hydrothermal method and others. Mono-sized pores will be created in the composite fibers by template method and photochemical method. The sensing performance of these materials: several kinds of gases, such as hydrogen, carbon monoxide, ammonia and other type gases will be studied systematically in this project. The sensitivity, response time, recover time and the detecting limitation will be studied for all of these materials. The fabrication of sensor: All of the sensors will be fabricated on a flat type ceramic substrate. In order to align these composite nanofibers on the surface of the substrate, electric or magnetic field will be applied during the electrospinning process. To form a second sensing film (particles or other forms) in situ on these fibers, a second growth, photo-reduction and other methods will be used separately. Try to find the relation between the sensing performance of a composite nanofiber material and its microstructure. The adsorption, selectivity and the transport properties in the composite nanofibers should be further elucidated. Try to understand the origin of the sensing ability of sensing material or composite sensing material by a reasonable chemical explanation. Series sensors with good performance will be obtained.

材料制备：采用电纺丝法制备多种金属氧化物一维纳米纤维。研究电纺丝条件对纤维结构的影响；利用共轴纺丝将Pt等金属/氧化物粒子装载于纳米纤维的内部，形成具有中空结构的内掺杂复合纳米纤维；通过在静电纺丝溶液中引入金属盐/醇盐或无机纳米粒子等制备均匀掺杂/修饰的复合纳米纤维；通过光化学还原等方法，在(复合)纤维表面沉积金属/氧化物粒子；通过水热等方法，在(复合)纤维表面控制生长复合敏感（粒子）层；通过模板造孔、光化学造孔等手段制备多孔复合纤维。敏感性能：研究材料对低浓度氢气、氨气和甲醛等气体的敏感性能。传感器件制作：拟通过电场、磁场等控制（复合）纳米纤维直接沉积在平板基底上，再通过光化学还原等方法原位制备复合纳米纤维平板传感器。建立材料的微结构与敏感性能间的内在联系，揭示复合一维纳米纤维对吸附、选择性和输运特性的影响，从化学角度阐释传感性能的本源。获得具有优异性能和应用价值的复合纳米纤维传感器。

针对传统气体传感材料存在的响应恢复速度慢、响应值低、选择性差、环境稳定性等还不能完全满足要求。本项目采用静电纺丝、水热合成以及溶剂热合成等技术合成了SnO2、In2O3、ZnO等一维或低维材料及其复合材料，再通过Pt、Ag以及其他纳米材料的修饰，获得了普遍具有比较大比表面积的气体传感材料。通过系统地研究合成条件对材料性能和微结构的影响，获得了10余种具有优异气体传感性能的材料，这些材料对低浓度的氢气、甲醛、三乙胺、NO2、乙醇或硝基化合物等目标气体展现出优异的响应和恢复特性和很好的选择性，极低的检测限。项目执行期间，共计发表相关研究论文33篇（第一资助标注），申请专利6件，获批4件，获得上海市自然科学奖一等奖1项（排名第四）。其中有代表性的成果为：1、铁酸锶镧修饰的n型二氧化锡纳米纤维表现出优异的乙醇传感性能，为未修饰二氧化锡纳米纤维的5倍，同时我们还给出了性能提升的机制；2、二氧化锡包覆的三氧化二铟纳米纤维，该材料在室温下，对氨气具有极佳的响应及响应恢复速度，可以检测0.1ppm的氨气，响应值达到了2.0；3、制备了铁酸锶镧纳米粒子修饰的三氧化二铟/二氧化锡复合纳米纤维，该复合纤维表现出优异的抗湿性能，而且对三甲胺有优异的选择性和高响应型，对1ppm三甲胺的响应值达到8.1。4、结构可控的多孔镓铟双金属氧化物纳米纤维用于高响应值和高选择性的甲醛检测，由小纳米粒子(∼4.6 nm)组装的Ga0.6In1.4O3纳米纤维表现出着最优的气敏性质，其响应值为纯In2O3器件的4倍；5、对痕量硝基爆炸物响应优异的空心ZnO纳米材料，该材料对硝基化合物的检测限分别为： 硝基甲苯10 ppb， 二硝基甲苯3 ppb，硝基甲烷100 ppb和硝基乙烷100 ppb。此外，我们还发现了新的传感机制—配位作用导致的电子转移机制，该机制有利于提高胺类材料的选择性和响应性。