电纺SnO2纳米纤维及其异质结构有序阵列材料的制备与气敏性能研究

The sensitivity, selectivity, and stability are the key issues in the study of SnO2 gas sensing materials. The leak currents due to the crystal size variation and the nonuniform of the barriers degrade the sensitivity of the materials. Thus, through a structure modification, the project intends to construct well aligned electrospun SnO2 nanofibers and its heterostructures SnO2/MOx (MOx=ZnO, In2O3, TiO2, etc.) arrays by combining the electrospinning technology and physical/chemical methods. The carrier concentrations in the crystal barriers can be controlled effectively by the crystal size and the leak currents can be avoided due to one dimensional confinement of the work currents which come from the well aligned one dimensional nanostructure arrays. The above two factors benefit the improvement of the gas sensitivity. The heterostructures formed by the modification of some other metal oxide materials might improve the gas sensing selectivity, decrease the working temperature, and improve the long term working stability. In our project, the gas sensing properties will be carefully studied and controlled by tuning the preparation process and the microstructure of the sensing materials. Well aligned electrospun SnO2 nanofibers and its heterostructures (SnO2/MOx) arrays with high sensitivity, good selectivity, and long term working stability might be obtained. The original gas sensor will be constructed based on the new materials. This project will give a thorough research on the relationship between the gas sensing mechanisms and the special nanostructures. It is expected to open a new design route and give an experimental foundation to obtain gas sensor with better gas sensing properties.

灵敏度、选择性和稳定性是SnO2气敏材料研究中的核心问题。晶粒尺寸和晶界势垒不均匀所导致的渗漏电流是进一步提高灵敏度的重要障碍。本项目拟从材料的结构设计入手，采用静电纺丝技术结合物理/化学方法制备SnO2纳米纤维及其异质结构SnO2/MOx(MOx=ZnO,In2O3,TiO2,等)有序阵列材料；利用晶粒可控性和一维有序性，既实现晶界势垒区载流子浓度的有效调控，又有效减小渗漏电流，提高其灵敏度；通过异质结修饰，调控和改善气体的选择性，降低工作温度，提高稳定性。研究材料制备的各种因素以及材料的微结构对其气敏性能的影响规律，获得具有高灵敏度、较好的气体选择性以及长期工作稳定性能的SnO2纳米纤维及其异质结构有序阵列材料，探索其在构筑新型气敏器件领域的应用。本项目有望深入探讨敏感机制和特殊的纳米结构之间的关系，为获得高性能气敏器件提供新的设计思路和奠定实验基础。

气敏特点是表面电子转移过程占主导。表面修饰对调控材料表面物理化学状态、提高气敏性能尤为有效。同时，贵金属与过渡金属氧化物等材料对不同气体催化作用不同，有利于实现较好的气体选择性。探索表面修饰新方法，获得表面负载均匀可控的新型气敏材料具有重要研究价值和科学意义。.我们以SnO2气敏材料为研究主体，采用静电纺丝技术制备了SnO2纳米纤维；通过调控溶剂组成获得了具有较高比表面积的中空SnO2纳米纤维。选择贵金属纳米粒子、p型过渡金属氧化物等材料与n型SnO2复合，利用其界面电荷转移提高气敏性能，利用其催化作用提高气体选择性。通过液相原位还原、光催化原位还原方法对中空SnO2纳米纤维表面进行贵金属修饰；研究了反应时间、贵金属源的离子浓度等因素对表面负载性能的影响；研究了不同金属纳米粒子对于气体灵敏度及选择性的影响；获得了对NO2与乙醇等气体具有较高灵敏度和较好选择性的气敏材料。采用光催化方法在中空SnO2纳米纤维表面修饰过渡金属p型氧化物；研究了生长条件对材料的负载量、化学状态的影响，研究了表面修饰对气体敏感性能方面的影响；发现了反常的p-n型响应转变现象及其规律，探索了p-NiO与n-SnO2间的电子转移过程和气体敏感机制，研究表明p-n型响应的气体浓度转变点与气体种类和工作温度密切相关。.此外，通过表面修饰构建了纳米纤维三维多孔异质结构光催化材料；利用异质结内建电场和能带失配抑制光生载流子复合，提高光催化反应效率；利用三维多孔结构提高活性物质表面反应和输运速率；利用宏观结构提高沉降和分离回收性能；详细研究了生长条件对纤维形貌结构的影响，研究了表面修饰异质结对光生电荷转移特性、光催化性能的影响。通过表面修饰构建了自支撑三维多孔纳米纤维复合电化学储能材料；优化了赝电容材料的种类、负载量、以及化学状态，获得了具有高比电容和高倍率性能的电化学储能材料；同时，利用其自支撑结构与三维多孔结构特性制备了柔性固态超级电容器件。.上述研究成果将为直接构建具有三维多孔结构及自支撑特性的新型气敏元件提供重要实验依据。在包括Nanoscale、Appl. Mater. Interfaces、Energy等杂志上发表SCI论文17篇，申请发明专利3项。