基于中空结构氧化物半导体气体传感器的研究

在该项目的支持下，负责人主要以水热/溶剂热合成、模板法为主要的合成手段，针对大气环境中的NO2与O3，及有机挥发性气体的检测，合成了一系列具有特殊形貌的纳米分等级结构n型半导体氧化物，主要包括WO3、In2O3、SnO2、α-Fe2O3等，并进行了气敏特性的表征。 针对大气环境中气体的检测，我们主要采用盐酸酸化及模板法，合成了具有方片结构与片状分等级结构的WO3材料。实验结果表明，方片结构的WO3材料对于NO2气体具有较高的灵敏度，对于40 ppb的NO2的灵敏度达到24，基本满足大气低浓度检测的需要。而对于片状分等级结构的WO3材料，其工作温度有所降低，并且在工作温度为75度时，对于40 ppb NO2气体的灵敏度达到16。另外，利用水热/溶剂热的方法，合成了六角形、花状的分等级结构、片花分等级结构、刺球状结构的In2O3粉体材料。这些材料具有电阻值低、对于NO2气体的选择型好、灵敏度高这些特点。并且，具有刺球状结构的In2O3粉体材料对于200 ppb的O3的灵敏度高达133。 我们主要针对乙醇、丙酮等有机气体的检测，以水热/溶剂热为主要的合成手段，开发了具有片状多孔分等级结构、Pd掺杂的纳米棒花结构、单分散片结构、片花结构、Zn掺杂片花结构SnO2粉体材料。片状多孔分等级结构的SnO2材料对于100 ppm 的乙醇气体的灵敏度高达56；Pd掺杂后材料的形貌变化不大，而对于乙醇的灵敏度有明显的提高；片花结构的SnO2材料对于NO2气体有较高的灵敏度与选择性；而Zn掺杂片花结构SnO2材料，不但表面形貌与Zn的掺杂量密切相关，而且适量的掺杂对于器件的灵敏度也有明显的提高。另外，我们还开发了一系列具有棒蔟结构、中空椭球结构、刺球结构的α-Fe2O3粉体材料。棒蔟结构的α-Fe2O3粉体材料对于100 ppm的乙醇与丙酮的灵敏度在器件的工位温度为250 ◦C与240 ◦C时分别为38与28；中空椭球结构α-Fe2O3乙醇与丙酮具有较高的灵敏度，且该器件具有快速的响应与恢复时间，对于40 ppm的乙醇，响应与恢复时间仅为38秒与34秒；刺球结构的α-Fe2O3材料的响应与恢复时间非常快，其响应时间仅为2秒，而在30秒以内，器件会恢复初始的阻值。

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。

内容简介

二元过渡金属化合物微纳米材料因其独特的物理化学性质在储能、传感、催化等领域具有广泛的应用，因此制备二元过渡金属化合物的新颖微纳米结构、研究其生长机制、控制其结晶尺寸与维度一直是这一领域的研究热点。这些研究也必将促进人们深入研究微纳米结构与功能特性之间的关联、高效利用微纳米结构及其产业化。刘军、薛冬峰编著的《氧化物中空结构的化学合成及应用》以金属氧化物和硫化物中空结构为研究对象，在其合成新方法的设计、形成机制以及电化学性能（如能量存储和电化学传感）等方面进行了系统的探索研究。 本书可供功能材料、化学、纳米材料与技术等相关领域的科研及工程技术人员参考。 刘军，博士，德国马普固体研究所博士后，2001年9月—2005年9月就读于湘潭大学化工学院化学工程与工艺专业，获工学学士学位；2005年9月—2011年1月就读干大连理工大学化工学院功能材料化学与化工专业，获工学博士学位；2011年2月—2012年5月在湘潭大学材料与光电物理学院材料科学与工程系工作；2012年6月—2013年4月在澳大利亚迪肯大学前沿材料研究所工作；2013年5月至今在德国马普固体研究所固体物理化学系工作。薛冬峰，教授，研究员，博士生导师，国家杰出青年称号获得者，中国科学院“百人计划”获得者，1989年8月—1993年7月就读于河南大学化学化工系应用化学专业，获工学学士学位；1993年8月—1998年7月就读干中国科学院长春应用化学研究所无机化学专业，获理学博士学位；1999年4月—2000年7月以德国洪堡（AVH）学者身份在德国奥...(展开全部) 刘军，博士，德国马普固体研究所博士后，2001年9月—2005年9月就读于湘潭大学化工学院化学工程与工艺专业，获工学学士学位；2005年9月—2011年1月就读干大连理工大学化工学院功能材料化学与化工专业，获工学博士学位；2011年2月—2012年5月在湘潭大学材料与光电物理学院材料科学与工程系工作；2012年6月—2013年4月在澳大利亚迪肯大学前沿材料研究所工作；2013年5月至今在德国马普固体研究所固体物理化学系工作。薛冬峰，教授，研究员，博士生导师，国家杰出青年称号获得者，中国科学院“百人计划”获得者，1989年8月—1993年7月就读于河南大学化学化工系应用化学专业，获工学学士学位；1993年8月—1998年7月就读干中国科学院长春应用化学研究所无机化学专业，获理学博士学位；1999年4月—2000年7月以德国洪堡（AVH）学者身份在德国奥斯纳布吕克大学物理系工作；2000年7月—2001年7月以访问学者身份在加拿大渥太华大学化学系工作；2001年7月—2003年8月以日本学术振兴会（JSPS）特别研究员身份在日本国立材料科学研究所工作；2003年8月起受聘大连理工大学化工学院教授、博士生导师；2009年1—2月以访问学者身份在新加坡国立大学工程院工作；2011年1—4月以Gledden高级访问学者身份在西澳大利亚大学机械与化学工程学院工作；2011年2月起受聘于中国科学院长春应用化学研究所稀土资源利用国家重点实验室。

本项目利用现代控制理论中的状态空间建模方法对集中空调系统各关键部件（包括空气-水表面式换热器、制冷机组、冷却塔、输配管网及动力设备和空调房间）进行了系统动态建模，利用图论和结构矩阵理论对集中空调系统部件状态空间模型进行描述和结构特性分析研究，并深入研究了基于部件状态空间模型的集中空调系统集成模型，研究了基于状态空间模型的控制系统设计，同时还利用面向对象仿真技术开发了基于状态空间模型的集中空调系统部件动态响应仿真软件。 2100433B

本课题旨在探索建筑、结构一体化的空间形态设计生成方法。原定技术路线是基于BESO等有限元渐进形态优化方法，结合建筑设计的需求，综合生成结构合理、空间满足功能要求、形态优美的设计方案。 在课题研究期间，开展了多方面的研究与实践，包括对基础工具的考察与交流，对空间形态生成方法、力学模拟方法的研究与开发，以及实验性建造等内容。研究内容从原计划的基于BESO方法的交互式过程，发展为形态与建造可能性更多元，结构上更合理，建造方法也更便捷的“编织结构”。最终，课题建立了基于计算机算法的建筑、结构一体化的“编织结构”体系的设计、生成方法，以及数控建造方法体系。 2100433B