设计MOF衍生氮掺杂多孔碳载体用于增感面向室内有害气体监测的电化学原理型传感器

The sensing materials excessively relay on noble metal in the commercial electrochemical gas sensors. This project depends on the national guideline that is “the development of the economical sensor networks”. The sensing materials based on N-doped porous carbon have the advantages of high-density non-noble metal active sites, economical cost and high stability. This project focuses on the preparation of Metal-organic frameworks (MOF)-derived N-doped porous carbon with high electrochemical activity and its application in electrochemical gas sensor. Two novel research ideas with high feasibility are put forward: (1) Non-noble metal active sites are loaded on the MOF-derived N-doped porous carbon with the unique structure, which can enhance the sensing performance of the sensing material towards the detection target. (2) The high-density active sites, three-dimensional porous structure and the excellent electronic transmission performance can be obtained by the combination of low-dimensional carbon and MOF-derived N-doped porous carbon. Based on the above ideas, the sensing materials are designed and synthesized by chemical reaction. The effect of the composition and spatial structure on the sensing performance is investigated in this project. The obtained insights can guide the design and preparation of sensing materials. Most importantly, the electrochemical gas sensors based on the obtained sensing materials can be developed for the detection of the indoor harmful gases in this project.

商用电化学原理型气体传感器中敏感材料过度依赖贵金属材料，本项目依托国家“发展低成本传感器网络”的需求导向，探索气体传感器中具有高密度非贵金属活性中心、低成本、高稳定性的氮掺杂多孔碳基敏感材料。针对金属有机骨架（MOF）衍生氮掺杂多孔碳材料在电化学气体传感器中的功能性应用，提出两个研究思路：（1）将具有可调节空间限域结构的MOF衍生氮掺杂多孔碳材料作为载体，配合单原子非贵金属活性中心，确保活性物质的“稳固”，便于靶向目标的“通透”；（2）将具有高电子迁移率的低维碳材料与MOF衍生氮掺杂碳基纳米结构有机结合，赋予材料高密度活性中心、三维孔隙结构和快速的电荷输运通道。根据上述思路开展合成工作，探究敏感材料的组成成分、空间结构对传感性能的影响机理，以期得出的规律性结论指导气体传感材料的设计和制备。针对室内空气中存在的有害气体，组装电化学气体传感器，最终促使研制的气体传感器走向应用。

商用电化学原理型气体传感器中敏感材料过度依赖贵金属材料，本项目依托国家“发展低成本传感器网络”的需求导向，探索气体传感器中具有高密度非贵金属活性中心、低成本、高稳定性的氮掺杂多孔碳基敏感材料。针对金属有机骨架（MOF）衍生氮掺杂多孔碳材料在电化学气体传感器中的功能性应用，开展了MOF衍生氮掺杂多孔碳材料的制备、MOF衍生氮掺杂多孔碳材料的形貌和结构调控、MOF衍生氮掺杂多孔碳材料装载电化学活性粒子及其电化学性能研究和MOF衍生碳基纳米材料与低维碳材料复合方面的工作，并在电化学原理型气体传感器整体设计方面开展了有意义的研究工作。在MOF衍生氮掺杂多孔碳材料的制备方面，掌握了多种合成方法制备MOF衍生氮掺杂多孔碳材料，包括水热法、电化学沉积法、湿化学法。在MOF衍生氮掺杂多孔碳材料的形貌和结构调控方面，掌握的方法包括热分解法、硬模板增孔法、原位合成法、刻蚀法、模板诱导法，对MOF衍生氮掺杂多孔碳材料的可控制备提供了可行方法与设计思路。在MOF衍生氮掺杂多孔碳材料装载电化学活性粒子及其电化学性能研究方面，通过形貌和结构调控对获得的敏感材料进行电化学性能优化，证实了MOF衍生氮掺杂多孔碳材料装载电化学活性粒子在电化学检测方面具有潜在的应用价值。在MOF衍生碳基纳米材料与低维碳材料复合研究方面，通过调控合成方法和实验条件，制备出具有特定形貌结构的复合材料，证实了低维碳材料的引入可提高电化学检测性能。在基于MOF衍生氮掺杂多孔碳材料的电化学原理型气体传感器设计方面，开展了测量电路和系统电路设计，开展了传感器敏感元件壳体设计和试验性组装，掌握了一些电路设计思路和传感器组装方法。经过本项目的研究工作，探究了MOF衍生氮掺杂多孔碳材料的组成成分、空间结构对传感性能的影响机理，得出了一定的规律性结论指导气体传感材料的设计和制备。尝试组装电化学气体传感器，逐步促使研制的气体传感器走向实际应用。