新型CO2气敏材料的探索

Detecting and monitoring of CO2 gas is now one of important works. In general, compared with other strong reducing or oxidizing gases, CO2 is more difficult to detect due to its stable chemical properties. This project aims to explore the novel CO2 gas sensing materials. Based on our recent research results, we plan to explore the possibility of CO2 gas sensing materials based on the rare earth - iron oxides or rare earth - manganese oxides with perovskite structure. We plan to investigate the dependence of CO2 gas sensing properties upon the different rare earth elements, the substitution of A site atoms by bivalent ions and substitution content x, preparation conditions and air humidity. We shall also investigate the influences of B site doping and precious metals upon the CO2 gas sensing properties. We attempt to looking for the CO2 sensors with high sensitivity, shorter response and recovery times and lower optimal working temperature. We try to understand the CO2 gas sensing mechanism of perovskite rare earth - iron oxides or rare earth - manganese oxides. We also explore the possibility of CO2 gas sensing materials based on the p-n composites of perovskite rare earth - iron oxides and SnO2, investigate the possible CO2 gas sensing properties, and understand its sensing mechanism of such p-n composites. The implementation of this project is beneficial to develop the novel sensitive, simple structure, easily used CO2 gas sensors, and to understand the CO2 sensing mechanism of the materials, thus is of important significances in potential application and scientific research.

探测/监测CO2气体是目前一个比较重要的工作。 通常情况下，由于CO2的化学性质不活泼，相比其他一些具有较强还原性或氧化性气体来讲， 比较难以探测。本项目探索钙钛矿稀土铁基氧化物以及锰基氧化物作为新型灵敏CO2气敏材料的可能性，探索二价元素成分x、稀土元素种类、 制备条件、空气湿度等因素影响CO2气敏特性（灵敏度、最佳工作温度、响应恢复时间等）的规律。 探索Ag和B位掺杂对气敏性能的影响，以寻求制备CO2气体高敏感材料，探索钙钛矿稀土铁基氧化物以及锰基氧化物对CO2的气敏机理。探索钙钛矿稀土铁基氧化物-SnO2 材料作为新型灵敏CO2气敏材料的可能性， 研究其可能的CO2气敏性质， 并探索该类p-n复合体系的CO2 气敏机理。本项目的实施有利于发展新型灵敏的、结构简单、使用便捷的CO2气敏器件，有利于理解材料对CO2 气体响应的微观机理，具有重要的实际意义和科学研究价值。

探测/监测CO2气体是目前一个比较重要的工作。通常情况下，由于CO2的化学性质不活泼，相比其他有较强还原或氧化性气体来讲，比较难以探测。 本项目探索发现了钙钛矿铁基及锰基氧化物两类CO2高灵敏传感材料。 750o C 3.5 小时退火LaFeO3，其厚膜式传感器性能：最佳工作温度为150 o C， 4000ppm下最大灵敏度S=2.1, 响应、恢复时间分别为13s和8s。相同纳米粉制备的厚膜式传感器的CO2 灵敏度优于粉晶填充式传感器，且最佳工作温度也低， CO2气敏响应、恢复时间更短。 稀土A位掺杂二价碱土元素可不仅有效提高CO2气敏性能，而且降低材料器件电阻。二价碱土元素的最佳替代比例为20 at%。 对于La0.8Ba0.2FeO3 厚膜传感器， 4000 ppm CO2 下，最佳工作温度为150oC，最大灵敏度为3.93，响应、恢复时间分别为13s和7s。 灵敏度随环境氧浓度提高而增大。 这些结果提示氧吸附在CO2气敏过程中扮演了重要作用。 第一性原理计算表明，当暴露于CO2， CO2转移电子给预吸附氧的未掺杂或掺杂二价元素的 LaFeO3表面，从而提高p型钙钛矿稀土铁基氧化物的电阻， 形成气敏性。 随着室温湿度增加，La-Fe基氧化物厚膜式传感器对CO2的灵敏度降低，第一性原理计算表明，湿空气下的CO2气敏效应来源于CO2、表面羟基、吸附氧与半导体表面作用的合效果。研究发现30 at%Co在B位（Fe位）掺杂替代，使得传感器电阻下降非常多，有利于传感器的设计， 但CO2的灵敏度有所下降。发现贵金属Pd的掺杂可提高材料灵敏度。SnO2-SmFeO3复合比例为1:1时， 220 oC下 对4000ppm CO2最大响应灵敏度可达到4.65。电子转移导致的p-n结势垒的变化以及碳酸盐的产生都可能是p-n复合材料CO2气敏的来源。对于La0.8Ba0.2MnO3 厚膜传感器, 对5000ppm CO2, 气敏灵敏度为2.83。 实验发现LaCrO3具有”倒给电子”现象, 并得到第一性原理计算支持。 发现在湿空气下， 纳米SnO2 可对CO2有较好气敏性, 并得到第一性原理计算解释。本项目发现了数种新型灵敏CO2气敏传感器， 不仅有科学意义， 而且有较好的应用前景。