多尺度纳米复合炭基杂化材料的可控组装及其气敏性能研究

With the increasing need for high-performance gas sensor in industrial production, home security, environmental monitoring and medicine and so on, there are an uprising of research and development activities of gas sensors.The project aims to investigate the controlled synthesis,assembly of nano carbon composite materials and their application in gas sensors. On the basis of optimal synthetic conditions of nano-composite carbon-based hybrid materials, the project is focused on the in situ synthesis of carbon nanotube / graphene-metal oxide nanocrystal and carbon nanotube / graphene graphene-metal sulfide nanocrystal ternary heterostructures. Multi-scale composite carbon-based hybrid materials have high surface area, more active sites and reaction pathways, which helps improve sensitivity, selectivity and stability of gas sensors. On this basis, the project further studies the relationship between morphology, surface structure and gas sensing properties in order to clarify the microscopic mechanism of gas-sensing process and to understand influencing factors.The project provides an opportunity to fully utilize unique properties of carbon-based nanocomposites and to develop novel gas-sensing materials with high sensitivity, selectivity, good stability, fast response and recovery, as well as low energy consumption.

工业生产、家庭安全、环境监测和医疗等领域对气体传感器的精度、选择性、稳定性方面的要求越来越高，因此对高性能的气体传感器材料的研究和开发也越来越重要。本项目拟围绕纳米复合炭基杂化材料控制合成、组装及其在气敏领域的应用展开工作，在优化纳米复合炭基杂化材料合成工艺条件的基础上，通过对不同维度的碳纳米管和石墨烯进行组装形成杂化结构，同时将碳纳米管/石墨烯杂化材料与金属氧化物或硫化物等纳米晶复合制备三元异质结构；利用多尺度纳米复合炭基杂化材料具有高的表面积、多的活性点和反应通道的优势来改善气体传感器的灵敏度、选择性和稳定性；并在此基础上，研究纳米复合炭基杂化材料的形貌、表面结构与气敏性能之间的关系，深入阐明气体传感过程的微观机制及影响因素；在充分发挥纳米复合炭基杂化材料自身性能的基础上，开发高灵敏度、高选择性、高稳定性的优质气体传感器。

工业生产、家庭安全、环境监测和医疗等领域对气体传感器的精度、选择性、稳定性方面的要求越来越高，因此对高性能的气体传感器材料的研究和开发也越来越重要。本项目针对金属半导体氧化物在石墨烯或碳纳米管表面分散不均匀，覆盖度不高，形貌难控制等问题，提出采用原位沉淀方法制备石墨烯/碳纳米管/半导体氧化物复合材料的新方法，同时考察复合材料的形貌、结构和组成对该材料气敏性能的影响。.采用简单有效的低温水解方法制备出具有多孔结构的氧化铁空心微球结构，该微球具有多孔薄层球壁和较大的内部空腔，由于较大的表面-体积比等特点，有利于待测气体在材料表面的扩散和传输，从而对乙醇气体表现出优越的气敏性。.为了利用石墨烯的优异电子传输性，通过简单的一步低温水解共沉淀方法制备由一维氧化铁纳米棒和二维石墨烯片组装的三维多级氧化铁/石墨烯复合材料。通过合理调控初始原料中表面活性剂的量、水解时间、水解温度等参数，可以有效的调控三维多级氧化铁/石墨烯复合结构的形貌。氧化铁/石墨烯三维复合结构为待测气体分子提供了较大的接触面积和宽敞的内部空间，有利于气体的渗透和扩散，从而加速气敏响应。.通过调节材料组分，采用水解共沉淀法合成氧化铁纳米棒负载的碳纳米管的p-n型复合纳米材料。不同组分之间的协同作用能有效整流p-n结界面处的电子并调节界面势垒高度，结合碳纳米管独特的一维中空纳米管结构，使得杂化材料在低温下就表现出极好的乙醇气敏性能。