二维纳米材料MⅡMⅢ LDHs的可控制备及NOx气敏性能研究

Despite many efforts have been made, current NOx sensors still show some problems such as low sensitivity, low selectivity and high operation temperature. To solve these problems and advance the area of gas-sensor materials, the MⅡMⅢ LDHs gas-sensor materials featured with special hierarchical structure will be prepared by facile hydrothermal or template synthesis methods. We will use urea as precipitant and SDS or PS as template agent. The modulation methods will be developed via the isomorphous replacement of mainboard metal ions and guest anions. Our goal of the proposal is to build general design strategy of high sensitive NOx sensor at room temperature and to promote the development synthesis science. The adsorption mechanism of two dimensional nanomaterials will be explored by tuning metal composition content, charge density distribution of host layer plate, sorts and numbers of inter-layer guest, intra-layer spatial size, and host-guest interaction on the properties of gas sensors. The layered structures of our newly-synthesized materials are capable of fabricating a high-speed electron transfer channel, which significantly shorten response time of materials compared with conventional polycrystalline metal oxide sensors. It is simple and practically feasible to utilize MⅡMⅢ LDHs to prepare the NOx sensor. More importantly, our materials retain good gas-sensing properties without high costing. Therefore, the present study is of theoretical and practical significance in the field of gas-senor materials.

针对目前NOx传感器灵敏度低、选择性差、操作温度高的问题，拟采用水热合成方法或模板合成法，以尿素为沉淀剂，SDS或PS为模板剂，通过主板金属离子的同晶取代、客体阴离子的调变等方法，制备出具有分级结构的MⅡMⅢ LDHs气敏材料，解决NOx传感器存在的问题，掌握室温下高灵敏度NOx传感器的整体设计策略及制备科学；通过探讨分析不同分级结构的MⅡMⅢ LDHs二维主体层板的金属组成、主体层板电荷密度分布、层间客体种类和数量、层内空间尺寸及主-客体相互作用对气敏性能的影响，进一步研究二维纳米材料的吸附机理。由于MⅡMⅢ LDHs制备成本低廉，制备方法简单，其层状结构可以形成高速电子转移通道，与多晶金属氧化物传感器相比，有利于缩短响应时间，用MⅡMⅢ LDHs制备出NOx传感材料和气敏传感器，能达到既降低成本且气敏性能不降低的技术，具有一定的理论意义和现实意义。

分级结构纳米材料是由低维纳米结构基本单元构筑。因兼具介观尺度纳米和微米材料的优点，分级结构纳米材料成为制备气体传感器和纳米电子器件中一类非常有前途的优选材料。项目围绕着二维MⅡMⅢ-LDHs分级结构材料的可控合成，发展了成本低廉、制备方法简单的原位水热合成方法，通过调控质量比和反应条件，如添加助剂表面活性剂、NH4F以及LDHs本身作为自组装模板剂，可控制备出具有不同分级结构的MIIMIII-LDHs (MII = Co、Ni、Zn、Cu和Mg; MIII = Fe、Co和Al)气敏材料；运用化学气相沉积法制备了掺杂改性的MⅡMⅢ-LDHs结构材料，发现其传感膜对NOx气敏性能明显提高；研发了微波加热-真空辅助-水热合成方法制备具有纳米限域效应的多维MⅡMⅢ-LDHs结构材料；拓展了高压静电纺丝法构筑特殊分级结构材料并进行了还原性气体NH3性能测试；尝试了以生物质炭材料为基底的分级结构材料构筑并对水中重金属离子进行了响应检测。项目解决了半导体式NOx传感器存在的灵敏度低、选择性差、操作温度高等问题；掌握了降低合成成本且保持高气敏特性的制备技术；提出了在纳米结构尺度上原位可控生长高密度纳米粒子和组装分级结构的普适合成路线和制备方法。与多晶金属氧化物传感器材料相比，不同分级结构MⅡMⅢ-LDHs制备的传感膜材料拥有大的比表面积，更有利于金属氧化物的高度分散；异质结及层状结构的形成构筑了电子高效传输的快速通道；纳米尺寸晶粒及晶面缺陷的存在增加了材料表面的吸附活性中心，有效缩短了材料与气体接触时间，因此对NOx表现出良好的气体响应以及高灵敏度、选择性和稳定性。项目以分级结构材料作为基础核心构件，设计开发了两种NOx和NH3纳米气敏传感器(件)。器件具有尺寸小、精度高、功耗低，室温下稳定性好、灵敏度高等优点，且制备工艺简单、原料成本低，对实现分级结构材料低成本、规模化制备具有重要现实意义。