结构相变引入的电输运行为对TiO2/Ti3C2Tx甲烷气敏性能的调控机理研究

Increasing gas adsorption by regulating morphology or element is a common strategy to improve gas sensing performances of oxide semiconductors. However, little attention has been paid to the effect of electron transport after gas adsorption on gas sensing performances and its regulating mechanism. Due to the change of microphysical properties (for example, space unit distortion degree and band gap), structural phase transition causes changes in electrical transport properties. Based on the above analysis, TiO2 with different crystal structures and well gas sensing properties are in situ grown the surfaces of high conductivity transition metal carbide Ti3C2Tx nanosheets in the form of nanorod morphology. On the basis of enhancing the conductivity of oxide semiconductor TiO2, TiO2/Ti3C2Tx heterostructure materials are constructed. Study the influence of the change of electrical transport behavior induced by structural phase transition of TiO2 on gas sensing properties of TiO2/Ti3C2Tx, explore the interrelation between structural phase transition, electron transport and gas sensing performances, obtain key factors of improving TiO2/Ti3C2Tx gas sensing properties by electrical transport behavior, and reveal the physical mechanism of electronic transport regulating gas sensing properties of TiO2/Ti3C2Tx. Establish the principle of controllable preparation of TiO2/Ti3C2Tx and gas sensing performances improvement. This study provides theoretical guidance and practical exploration for enriching gas sensing mechanism and constructing novel gas sensing materials.

通过调控形貌、成分等增加气体吸附是提升氧化物半导体气敏性能的常用策略，但鲜有研究关注气体吸附之后的电子输运对气敏性能的影响以及调控机制。而半导体材料发生结构相变后，由于晶胞畸变程度及带隙等微观物性发生改变，从而引起电输运行为的变化。基于此，本项目将晶型结构不同、气敏性能良好的TiO2，以纳米棒形貌原位生长在高导电性的Ti3C2Tx MXene纳米片表面，在增强TiO2导电性的基础上，构筑TiO2/Ti3C2Tx异质结构。研究TiO2结构相变所引入的电输运行为变化对TiO2/Ti3C2Tx气敏性能的影响规律，探索结构相变-电子输运-气敏性能之间的内在关联，提炼出电输运行为改善TiO2/Ti3C2Tx气敏性能的关键因素，揭示电子输运调控TiO2/Ti3C2Tx气敏性能的物理机制。建立TiO2/Ti3C2Tx的可控制备及气敏性能提升原则，为丰富气敏机理、构筑新型敏感材料提供理论指导与实践探索。

功能材料的结构决定了材料对外所展现的性能，气敏材料亦是如此。对于金属氧化物半导体基气敏材料，气敏过程包括气体吸附、表面化学反应以及气体解吸附。为了增强敏感材料的气敏性能，气敏性能提升策略也是围绕着气敏过程进行材料优化，但鲜有研究系统深入到气敏材料的电子结构，揭示电子结构与气敏性能之间的耦合机理。基于此，本项目主要以结构相变和异质结为切入点，研究氧化物半导体基微纳米材料的电子结构与气敏性能之间的构效关系。首先，利用静电纺丝、溶剂热结合随后的退火策略，可控制备出rh-In2O3相含量不同的三种氧化铟纳米纤维。三种氧化铟纳米纤维中rh-In2O3相的比例与其气敏选择性密切相关。结合BET与XPS数据，揭示所获得的纳米纤维的比表面积不是影响气敏性能的关键因素，结构相变引入的化学吸附氧的氧化能力的差异决定了纳米纤维气敏选择性。受此启示，我们将结构相变拓展至应变，研究氧化物半导体的应变引入的电子结构变化对气敏选择性的调制机理，这一研究成功获批中英国际合作交流项目。其次，通过构筑In2O3/Co3O4异质结，研究异质结引入的电子结构变化对气敏性能的作用机理。In2O3/Co3O4 n-p异质结构有效地调节了敏感材料的费米能级，进而改变吸附氧的氧化能力，使其更易与强还原性的气体发生反应（例如甲醛），增强了界面电荷转移动力学，从而显著提高异质结的甲醛选择性。本项目研究在电子结构层面，从结构相变与异质结角度，揭示并提炼出电子结构对气敏选择性的决定性作用，为调控氧化物半导体的选择性提供了实践经验和理论依据，同时拓宽、丰富了氧化物半导体调控气敏选择性的策略。