钙钛矿型复合氧化物纳米纤维的气敏特性及敏感机理研究

气体传感器在大气环境污染监测、易燃易爆气体检测等方面，起着重要的作用。"提高灵敏度"与"增强可靠性"这一对相互制约的"矛盾"，一直困扰着传感器研究人员。钙钛矿(ABO3)型复合氧化物热稳定性好，可通过化学计量比偏离调控敏感材料性能，但传统方法制备的ABO3型复合氧化物的比表面积小，不利于反应活性的提高和敏感特性的改善。本项目采用静电纺丝法，并通过电、磁诱导有序排列技术，制备定向排列钙钛矿型复合氧化物纳米纤维。利用飞秒激光原位烧结技术，获得钙钛矿型纳米纤维微结构传感器。重点研究材料的化学组成、长径比、不同取向排列对于目标气体的检测灵敏度、稳定性、选择性以及响应恢复特性的影响，并探究其实现感知功能的物理、化学机制；建立半导体参数与传感器性能参数的内在必然联系。通过本项目的实施，找寻同时改善气体传感器"灵敏度"与"可靠性"的新方法，深入探讨钙钛矿型复合氧化物纳米气体传感器的感知机理。

本项目利用高压静电纺丝技术为平台，以半导体金属氧化物为研究对象，制备低维纳米纤维敏感材料，并研制具有高灵敏性气敏/湿度传感器。利用静电纺丝技术，制备了钙钛矿型LaxSr1-xFeO3纳米纤维，并研究了基于LaxSr1-xFeO3纳米纤维材料的酒敏传感器，传感器性能较市售元件有较大提高；通过化学计量比的调控, 静电纺丝制备了钙钛矿型BaxSr1-xTiO3纳米纤维，并研究了基于BaxSr1-xTiO3纳米纤维的湿度传感器，实验结果表明：基于低维材料的传感器响应恢复速度有很大提高,由11% RH到95% RH的响应时间约为8 s，恢复时间约为5 s。通过对静电纺丝装置收集板两端加直流电场的方法，实现了纳米纤维的定向排列，基于定向排列纳米纤维的湿度传感器湿度敏感性能更好，响应恢复更迅速，通过定性分析对比定向与非定向纳米纤维中电子的传导方式，证明定向排列的纳米纤维材料更有利于导电粒子的传输。通过对静电纺丝装置增加内流体推注系统，实现同轴静电纺丝，制备了中空结构的SnO2、In2O3纳米纤维，并制作了乙醇和甲醛气体传感器，实验结果表明：中空结构的纳米纤维具有更大的比表面积从而提高了对待测气体的响应。通过一维纳米纤维与异质氧化物的复合，同样实现了提高敏感元件性能的目的。围绕低维纳米结构敏感材料，讨论了其化学组成等对气/湿敏性能的影响，探索了其实现敏感功能的物理及化学机制。本项目不仅开辟了制备高性能气/湿敏感材料的新思路，而且拓宽了基于低维氧化物半导体敏感材料的化学传感器的敏感机理。