[00114079]掺杂SnO2微/纳空心球气敏材料的设计制备及性能研究

当今社会的发展在为人类社会带来巨大财富的同时,工业生产和人类生活中排放的废气也造成了大量的环境污染。随着社会的进步和人类安全与健康意识的提高,迫切需要对大气、家庭和各种生产、生活场所的易燃易爆气体、有毒有害气体进行检测和定量分析,防止安全事故的发生。用于气体分析检测的仪器很多,如：气相色谱仪、红外线分析仪、热导分析仪等,但这些仪器价格昂贵,且不适合进行现场监测。因此,开发成本低、灵敏度高和便携的气体传感器已成为当务之急。一个完美的气体传感器需具备： ①灵敏度高; ②选择性好,能够在多种气体共存下,仅对目标气体有明显反应; ③稳定性好、可逆性和重现性好; ④响应和恢复速度快; ⑤工作温区宽,尤其能用于常温检测; ⑥制作简单、成本低、耗能少、无污染。 自从1962年半导体金属氧化物气体传感器问世以来,以其灵敏度高、结构简单、价格低廉等优点,已经成为当前应用最普遍、最具有实用价值的一类气体传感器。半导体金属氧化物气体传感器的核心是金属氧化物敏感材料。SnO2作为一种金属氧化物半导体普敏材料,能对H2S、NH3、NO2、CH4、Cl2等易燃易爆、有毒性气体进行有效的检测。具有制备简单、热稳定性好、化学稳定性高、灵敏度高、响应速度快、成本低廉等一系列优点,是目前应用最为普遍的气敏基体材料之一。但是在实际应用中,单一的SnO2气敏传感器仍然存在选择性差、工作温度高（300-500℃）、对微量气体灵敏度不够等缺点。许多研究者将关注点集中在如何提高气体传感器的灵敏度、响应恢复、选择性和工作温度上,高的灵敏度通常可以增强对有害气体的检测限,快的响应恢复时间可以加快对待测气体的识别速度,避免灾害。好的选择性有利于实现靶向气体检测,低的工作温度有利于降低能耗,延长传感器的使用寿命,在检测易燃、易爆气体时减少爆炸危险。 目前,研究者们针对单一SnO2气敏材料的不足进行研究的方向之一就是：通过控制SnO2的形貌,改变材料的微结构来提高其气敏性能,达到“结构化增强”目的。空心结构因其具有大的空腔结构和高的比表面积,导致反应物具有高的扩散速率,反应能够更快的达到平衡状态,气敏反应表现出更快的响应-恢复时间。另外中空复杂结构的材料由于其具有高比表面积、高表面渗透性与质量轻等优点,有利于制作灵敏度高、响应-恢复时间短、易携带的气体传感器。 基于此,课题组以“掺杂SnO2微/纳空心球气敏材料的设计制备及性能研究”为题申请了省自然科学基金,并获立项支持,编号为ZR2009BL002。该成果属于环境科学与工程专业下的环境保护领域,对研究开发灵敏度高、选择性好、有长期稳定性且能耗低的气体敏感材料及其传感器具有重要价值。本成果的主要技术内容、技术经济指标、应用推广及效益、发表论文等情况介绍如下： （一）主要技术内容 （1）用水热法、模板法、固相反应法等制备纳米或微米级空心球,研究制备方法对等空心球形貌的影响,探讨其形成机理。 （2）将金属氧化物空心球及掺杂修饰氧化物空心球制成旁热式厚膜型气敏元件,对其气敏性能进行测试。研究空心球形貌及掺杂修饰对材料气敏性能（工作温度、灵敏度、选择性、稳定性、响应恢复时间）的影响。 （3）构建不同氧化物对小分子气体吸附的模型,应用密度泛函理论,研究材料对不同气体吸附情况,揭示吸附机理,探索吸附规律,为实验提供理论依据。 （二）技术推广与社会经济效益分析 该成果可实现对某些有毒、有害气体的监测,对易燃气体进行报警,能有效的防止许多恶性事件的发生,避免造成不必要的损失,保证生产顺利进行,促进经济发展。开发高性能空心球气敏传感器,具有很大的市场需求,并可推动我省化工安全、环境保护等相关领域的发展,具有重要的经济和社会效益。 （三）主要研究成果 依托本研究项目,项目负责人和参与人共发表中文核心论文4篇。