基于异质纤维网状多级材料的低浓度VOC气体传感器研究

针对半导体传感器对低浓度甲醛等挥发性有机化合物（VOC）气体响应较低的缺点，本项目拟采用一种新型双向电场双喷头静电纺丝技术，构筑异质界面复合纤维多级材料并制作气体传感器。本项目主要研究新型双向电场双喷头静电纺丝技术，制备异质纤维气敏材料的工艺条件及多级材料的形成机理，静电纺丝纤维运动轨迹的建模仿真，传感器的响应、选择性等性能，敏感机理等。 重要结果包括：（1）开发了双向电场双喷头静电纺丝制备氧化物多级异质纤维材料的技术（已获批专利）。用双喷头方法制备SnO2/In2O3、TiO2/ZrO2、TiO2/In2O3等复合异质纤维敏感材料；采用单喷头混合溶液制备SnO2-ZnO、CTO（Cr1.95Ti0.05O3）等混合异质纤维；采用水热和模板法制备SnO2、Zn2SnO4、La1-xSrxFeO3等多级敏感材料；研究了材料的形成机理。（2）测试了气敏材料对甲醛、乙醇、丙酮、甲苯、甲醇、氨气等VOC气体的敏感性能，包括工作温度、响应值、响应恢复时间、选择性、稳定性等。SnO2/In2O3复合异质纤维材料传感器对甲醛的响应远高于SnO2和In2O3元件，并具有很好的选择性。SnO2-ZnO纤维对甲醇有很好的敏感性能，Y掺杂的ZnO纤维对丙酮响应很高，Pd掺杂的SnO2对甲苯的响应和选择性都很好。柚子皮模板法制备的SnO2材料对1ppm甲醛的响应值达到16.7，远高于本项目的预定指标（1ppm响应值5），并具有很好的选择性。（3）首次用Matlab 与Comsol联合仿真方法对静电纺丝过程中纤维的运动轨迹进行建模和仿真，给出不同电场情况下纺丝的轨迹，为纺丝实验提供有益的参考数据。（4）用第一性原理研究了氧化物吸附甲醛的模型，从异质材料的晶界势垒和能带结构研究传感器敏感机理。 本项目制备的敏感材料性能已经达到并超过预定目标，对1ppm甲醛的响应灵敏度为16.7，对0.1ppm甲醛响应灵敏度达到7.4，并具有很好的选择性。研究对低浓度VOC气体响应高、选择性好的氧化物半导体传感器对检测和监测空气质量、保障和提高人们的生活质量具有重要社会意义。同时，研究各种敏感材料的形成机制、异质材料与气体作用时晶界及能带的变化规律以及敏感机理等具有重要的科学意义。 2100433B

检测低浓度甲醛等挥发性有机化合物（VOC）已成为人们创造绿色居住环境日益迫切和广泛的需求。半导体传感器具有成本低、功耗小、可集成、使用方便等优点，是满足这一需求的最佳选择。然而，半导体传感器对低浓度VOC气体灵敏度很低，严重限制了其应用。本项目拟提出一种新型双向电场多喷头静电纺丝技术，构筑具有n-p、n-n、p-p等异质界面的新型复合交织纤维网状多级材料，制作气体传感器。其可行性在于异质纤维网状多级材料能够同时实现增多气体孔道和形成异质界面两个目的，从而使吸附气体后敏感材料载流子浓度的变化增大，显著提高对低浓度VOC气体的灵敏度。本项目拟深入研究异质纤维网状多级材料的组成、形态、界面等因素与元件灵敏度的关系，揭示不同复合材料对不同气体的感知机理，建立和完善双向电场多喷头纺丝技术制备异质纤维网状多级材料的新方法，为设计和制作对<1ppm甲醛等VOC气体灵敏度≥5的高性能传感器奠定坚实基础。

随着艺术观念的更新及科技的融入，材料是纤维艺术家关注的焦点，材料的突破很大程度推动了纤维艺术的发展，所以，我们有必要对纤维艺术材料进行专门的系统的研究。纤维艺术材料可分为天然纤维，如竹、藤、棕、柳、葵、苇、稻、麦、高粱、玉米、麻、棉、植物的杆、茎、韧皮或花、叶、蚕丝、毛发、马尾及鬃、毛、绒等。这些纤维艺术传统材料，有的温暖轻柔，有的朴实深厚，富有极强的亲和力。还有化学纤维，人造纤维和有机合成纤维，如尼龙、涤纶、乙纶、丙纶、氯纶、氨纶、氟纶等。这些纤维各有特性，他们不仅在数量上为天然纤维做了补充，而且许多化纤品种，在性能和观感上都有天然纤维所不及的品质。如黏胶纤维手感柔软、光泽明亮、易染色、防蛀等；涤纶抗皱、耐热、光滑等。

决定氧化物半导体气体传感器敏感特性的关键因素是:对气体的识别功能、将化学信息变换为电信号的功能以及材料的使用效率。本项目旨在利用中空球形氧化物半导体的中空、多孔、比表面大和扩散性好等特点，通过在其外侧表面和内侧表面组装敏感活性物质、控制小球（构成球壳的小颗粒）的晶粒尺寸和小球间的晶界以及控制中空球的尺寸和球间隙来提高识别能力、变换能力和使用效率，构筑高性能气体传感器。主要采用模板法制备中空球形SnO2、In2O3和ZnO等氧化物半导体，探索微结构与敏感特性的关系；在中空球内外表面担载Pd、Pt等贵金属或氧化物等敏感活性物质，提高表面氧化活性，进而大幅度提高灵敏度。此外为了开发实用化的敏感材料，通过引入磷酸根或其它粘合剂(SiO2、Al2O3等)提高中空球形材料的机械强度和热稳定性。最终利用实用化中空球形敏感材料开发高灵敏、高选择一氧化碳传感器，并应用于煤矿瓦斯爆炸后产生的一氧化碳的检测。