氧化铜等金属氧化物纳米结构的调控、掺杂和修饰及其QCM气敏传感器的研究

This project would explore design, preparation, tailoring of metal oxide nanostructures (MONs) including copper oxide (CuO) and their application as sensing layer for gases including HCN. Major contents would include: (1) Design, preparation, modification, optimization and characterization of MONs including CuO; (2) Preparation of MONs (including CuO) gas sensors and testing of their sensing properties; (3) Sensing mechanism－study of the interaction between MONs (including CuO) and gases such as HCN; (4) Design, construction and testing of prototype devices that use the MONs (including CuO) sensors. Throung investigation, the intrinsic interaction between MONs (including CuO) and gases such as HCN will be unveiled, and sensing mechnisms will be proposed. The sensing characteristics will be improved via optimizing the composition, structure and morphology of the nanomaterials and the thickness and frame structure of the sensing layer. Among them, the CuO QCM sensors will reach the lowest detection limt of ﹤0.1ppm and response time of ﹤5s，and have characteristics of high sensitivity, good selectivity, high stability and good repeatbility. Finally prototype devices will be desinged and given.

该申请项目拟对氧化铜等金属氧化物纳米结构的设计、制备和调控及其作为敏感层在氰化氢等气体传感器中的应用进行探索研究。主要研究内容包括：（1）氧化铜等金属氧化物纳米结构的设计、制备、调控、改性、优化和表征；（2）氧化铜等金属氧化物纳米结构传感器的制备和敏感性能测试；（3）传感机理－氧化铜等金属氧化物纳米结构与氰化氢等气体的相互作用研究；（4）与氧化铜等金属氧化物纳米结构传感器适应的原型便携式传感检测器的设计、构筑与测试。通过研究，探明氧化铜等金属氧化物纳米结构与氰化氢等气体相互作用的本质，提出氧化铜等金属氧化物纳米结构传感器的传感机理，优化氧化铜等金属氧化物纳米材料的成分、结构和形貌、敏感层的厚度和空间构架，提高传感器性能。其中氧化铜纳米结构QCM传感器的最低检测限达到﹤0.1ppm，响应时间﹤5s，具有高灵敏度、高选择性、稳定性好、可重复使用的特点，并设计和给出原型便携式传感检测器。

氰化氢由于其剧毒性，短时间内就能对人体产生重大伤害，而甲醛作为主要室内污染气体，对人体也有极大的危害，为了广大人民群众的安全、健康，对这两种气体的实时、快速检测就尤为重要。随着纳米科学与技术的飞速发展，科研工作者合成了或有能力合成大量新颖的纳米材料，为研究和开发高灵敏度、高选择性、快速响应和恢复、良好重复性和稳定性的气体敏感膜提供了空前的机遇。本项目以多种具有不同结构和形貌的纳米材料为敏感膜，以具有高灵敏度、响应快、易制造、操作简单等优点的石英晶体微天平为检测平台，开展了对氰化氢和甲醛气体的传感检测研究。通过项目实施，设计制备了多种纳米结构的氧化铜、氧化锰、Pt负载的氧化锰、铜锰复合金属氧化物、氢氧化铜、氢氧化镍、氨基功能化的二氧化硅及氧化石墨烯等纳米材料。系统研究了反应条件与产物结构、形貌之间的关系。将所制备的纳米材料修饰到QCM晶振上制备得到相应的QCM传感器，用以检测氰化氢和甲醛等气体。以所制备的氧化铜、氢氧化铜、氢氧化镍纳米材料为敏感膜的QCM传感器，实现了对氰化氢气体的高灵敏度、高选择性（正负相反的频率响应信号）、快速、稳定的定量检测，其中氧化铜纳米粒子修饰的QCM传感器可以在5-50℃，9-90%相对湿度的环境中应用，器件在放置12个月后，仍具有较好的传感性能。以所制备的铜锰复合金属氧化物、氨基功能化的二氧化硅和氧化石墨烯为敏感膜实现了对甲醛气体的高灵敏度、快速、稳定的定量检测。选择传感性能优良的纳米敏感材料修饰到QCM晶振上，通过集成电路设计，引入起振、检测、显示等功能，成功设计制备了便携式的QCM传感器。到2016年底，已经在国内外著名期刊上发表学术论文33篇，会议论文12篇，专著1部，申请发明专利6项，培养青年科技骨干6名，博士后1名，博士生5名，硕士生10名。在本项目支持下，于2014年10月，在北京成功举办国际会议1次。