基于中空結(jié)構(gòu)氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器的研究

在該項目的支持下，負責(zé)人主要以水熱/溶劑熱合成、模板法為主要的合成手段，針對大氣環(huán)境中的NO2與O3，及有機揮發(fā)性氣體的檢測，合成了一系列具有特殊形貌的納米分等級結(jié)構(gòu)n型半導(dǎo)體氧化物，主要包括WO3、In2O3、SnO2、α-Fe2O3等，并進行了氣敏特性的表征。 針對大氣環(huán)境中氣體的檢測，我們主要采用鹽酸酸化及模板法，合成了具有方片結(jié)構(gòu)與片狀分等級結(jié)構(gòu)的WO3材料。實驗結(jié)果表明，方片結(jié)構(gòu)的WO3材料對于NO2氣體具有較高的靈敏度，對于40 ppb的NO2的靈敏度達到24，基本滿足大氣低濃度檢測的需要。而對于片狀分等級結(jié)構(gòu)的WO3材料，其工作溫度有所降低，并且在工作溫度為75度時，對于40 ppb NO2氣體的靈敏度達到16。另外，利用水熱/溶劑熱的方法，合成了六角形、花狀的分等級結(jié)構(gòu)、片花分等級結(jié)構(gòu)、刺球狀結(jié)構(gòu)的In2O3粉體材料。這些材料具有電阻值低、對于NO2氣體的選擇型好、靈敏度高這些特點。并且，具有刺球狀結(jié)構(gòu)的In2O3粉體材料對于200 ppb的O3的靈敏度高達133。 我們主要針對乙醇、丙酮等有機氣體的檢測，以水熱/溶劑熱為主要的合成手段，開發(fā)了具有片狀多孔分等級結(jié)構(gòu)、Pd摻雜的納米棒花結(jié)構(gòu)、單分散片結(jié)構(gòu)、片花結(jié)構(gòu)、Zn摻雜片花結(jié)構(gòu)SnO2粉體材料。片狀多孔分等級結(jié)構(gòu)的SnO2材料對于100 ppm 的乙醇氣體的靈敏度高達56；Pd摻雜后材料的形貌變化不大，而對于乙醇的靈敏度有明顯的提高；片花結(jié)構(gòu)的SnO2材料對于NO2氣體有較高的靈敏度與選擇性；而Zn摻雜片花結(jié)構(gòu)SnO2材料，不但表面形貌與Zn的摻雜量密切相關(guān)，而且適量的摻雜對于器件的靈敏度也有明顯的提高。另外，我們還開發(fā)了一系列具有棒蔟結(jié)構(gòu)、中空橢球結(jié)構(gòu)、刺球結(jié)構(gòu)的α-Fe2O3粉體材料。棒蔟結(jié)構(gòu)的α-Fe2O3粉體材料對于100 ppm的乙醇與丙酮的靈敏度在器件的工位溫度為250 ?C與240 ?C時分別為38與28；中空橢球結(jié)構(gòu)α-Fe2O3乙醇與丙酮具有較高的靈敏度，且該器件具有快速的響應(yīng)與恢復(fù)時間，對于40 ppm的乙醇，響應(yīng)與恢復(fù)時間僅為38秒與34秒；刺球結(jié)構(gòu)的α-Fe2O3材料的響應(yīng)與恢復(fù)時間非?？欤漤憫?yīng)時間僅為2秒，而在30秒以內(nèi)，器件會恢復(fù)初始的阻值。

決定氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器敏感特性的關(guān)鍵因素是:對氣體的識別功能、將化學(xué)信息變換為電信號的功能以及材料的使用效率。本項目旨在利用中空球形氧化物半導(dǎo)體的中空、多孔、比表面大和擴散性好等特點，通過在其外側(cè)表面和內(nèi)側(cè)表面組裝敏感活性物質(zhì)、控制小球（構(gòu)成球殼的小顆粒）的晶粒尺寸和小球間的晶界以及控制中空球的尺寸和球間隙來提高識別能力、變換能力和使用效率，構(gòu)筑高性能氣體傳感器。主要采用模板法制備中空球形SnO2、In2O3和ZnO等氧化物半導(dǎo)體，探索微結(jié)構(gòu)與敏感特性的關(guān)系；在中空球內(nèi)外表面擔(dān)載Pd、Pt等貴金屬或氧化物等敏感活性物質(zhì)，提高表面氧化活性，進而大幅度提高靈敏度。此外為了開發(fā)實用化的敏感材料，通過引入磷酸根或其它粘合劑(SiO2、Al2O3等)提高中空球形材料的機械強度和熱穩(wěn)定性。最終利用實用化中空球形敏感材料開發(fā)高靈敏、高選擇一氧化碳傳感器，并應(yīng)用于煤礦瓦斯爆炸后產(chǎn)生的一氧化碳的檢測。

內(nèi)容簡介

二元過渡金屬化合物微納米材料因其獨特的物理化學(xué)性質(zhì)在儲能、傳感、催化等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，因此制備二元過渡金屬化合物的新穎微納米結(jié)構(gòu)、研究其生長機制、控制其結(jié)晶尺寸與維度一直是這一領(lǐng)域的研究熱點。這些研究也必將促進人們深入研究微納米結(jié)構(gòu)與功能特性之間的關(guān)聯(lián)、高效利用微納米結(jié)構(gòu)及其產(chǎn)業(yè)化。劉軍、薛冬峰編著的《氧化物中空結(jié)構(gòu)的化學(xué)合成及應(yīng)用》以金屬氧化物和硫化物中空結(jié)構(gòu)為研究對象，在其合成新方法的設(shè)計、形成機制以及電化學(xué)性能（如能量存儲和電化學(xué)傳感）等方面進行了系統(tǒng)的探索研究。 本書可供功能材料、化學(xué)、納米材料與技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的科研及工程技術(shù)人員參考。 劉軍，博士，德國馬普固體研究所博士后，2001年9月—2005年9月就讀于湘潭大學(xué)化工學(xué)院化學(xué)工程與工藝專業(yè)，獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位；2005年9月—2011年1月就讀干大連理工大學(xué)化工學(xué)院功能材料化學(xué)與化工專業(yè)，獲工學(xué)博士學(xué)位；2011年2月—2012年5月在湘潭大學(xué)材料與光電物理學(xué)院材料科學(xué)與工程系工作；2012年6月—2013年4月在澳大利亞迪肯大學(xué)前沿材料研究所工作；2013年5月至今在德國馬普固體研究所固體物理化學(xué)系工作。薛冬峰，教授，研究員，博士生導(dǎo)師，國家杰出青年稱號獲得者，中國科學(xué)院“百人計劃”獲得者，1989年8月—1993年7月就讀于河南大學(xué)化學(xué)化工系應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位；1993年8月—1998年7月就讀干中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所無機化學(xué)專業(yè)，獲理學(xué)博士學(xué)位；1999年4月—2000年7月以德國洪堡（AVH）學(xué)者身份在德國奧...(展開全部) 劉軍，博士，德國馬普固體研究所博士后，2001年9月—2005年9月就讀于湘潭大學(xué)化工學(xué)院化學(xué)工程與工藝專業(yè)，獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位；2005年9月—2011年1月就讀干大連理工大學(xué)化工學(xué)院功能材料化學(xué)與化工專業(yè)，獲工學(xué)博士學(xué)位；2011年2月—2012年5月在湘潭大學(xué)材料與光電物理學(xué)院材料科學(xué)與工程系工作；2012年6月—2013年4月在澳大利亞迪肯大學(xué)前沿材料研究所工作；2013年5月至今在德國馬普固體研究所固體物理化學(xué)系工作。薛冬峰，教授，研究員，博士生導(dǎo)師，國家杰出青年稱號獲得者，中國科學(xué)院“百人計劃”獲得者，1989年8月—1993年7月就讀于河南大學(xué)化學(xué)化工系應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位；1993年8月—1998年7月就讀干中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所無機化學(xué)專業(yè)，獲理學(xué)博士學(xué)位；1999年4月—2000年7月以德國洪堡（AVH）學(xué)者身份在德國奧斯納布呂克大學(xué)物理系工作；2000年7月—2001年7月以訪問學(xué)者身份在加拿大渥太華大學(xué)化學(xué)系工作；2001年7月—2003年8月以日本學(xué)術(shù)振興會（JSPS）特別研究員身份在日本國立材料科學(xué)研究所工作；2003年8月起受聘大連理工大學(xué)化工學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師；2009年1—2月以訪問學(xué)者身份在新加坡國立大學(xué)工程院工作；2011年1—4月以Gledden高級訪問學(xué)者身份在西澳大利亞大學(xué)機械與化學(xué)工程學(xué)院工作；2011年2月起受聘于中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所稀土資源利用國家重點實驗室。

本項目利用現(xiàn)代控制理論中的狀態(tài)空間建模方法對集中空調(diào)系統(tǒng)各關(guān)鍵部件（包括空氣-水表面式換熱器、制冷機組、冷卻塔、輸配管網(wǎng)及動力設(shè)備和空調(diào)房間）進行了系統(tǒng)動態(tài)建模，利用圖論和結(jié)構(gòu)矩陣理論對集中空調(diào)系統(tǒng)部件狀態(tài)空間模型進行描述和結(jié)構(gòu)特性分析研究，并深入研究了基于部件狀態(tài)空間模型的集中空調(diào)系統(tǒng)集成模型，研究了基于狀態(tài)空間模型的控制系統(tǒng)設(shè)計，同時還利用面向?qū)ο蠓抡婕夹g(shù)開發(fā)了基于狀態(tài)空間模型的集中空調(diào)系統(tǒng)部件動態(tài)響應(yīng)仿真軟件。 2100433B

本課題旨在探索建筑、結(jié)構(gòu)一體化的空間形態(tài)設(shè)計生成方法。原定技術(shù)路線是基于BESO等有限元漸進形態(tài)優(yōu)化方法，結(jié)合建筑設(shè)計的需求，綜合生成結(jié)構(gòu)合理、空間滿足功能要求、形態(tài)優(yōu)美的設(shè)計方案。 在課題研究期間，開展了多方面的研究與實踐，包括對基礎(chǔ)工具的考察與交流，對空間形態(tài)生成方法、力學(xué)模擬方法的研究與開發(fā)，以及實驗性建造等內(nèi)容。研究內(nèi)容從原計劃的基于BESO方法的交互式過程，發(fā)展為形態(tài)與建造可能性更多元，結(jié)構(gòu)上更合理，建造方法也更便捷的“編織結(jié)構(gòu)”。最終，課題建立了基于計算機算法的建筑、結(jié)構(gòu)一體化的“編織結(jié)構(gòu)”體系的設(shè)計、生成方法，以及數(shù)控建造方法體系。 2100433B