基于中空結(jié)構(gòu)氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器的研究項(xiàng)目摘要

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(duì)氣體的識(shí)別功能、將化學(xué)信息變換為電信號(hào)的功能以及材料的使用效率。本項(xiàng)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(kuò)散性好等特點(diǎn)，通過(guò)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(lái)提高識(shí)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(jìn)而大幅度提高靈敏度。此外為了開(kāi)發(fā)實(shí)用化的敏感材料，通過(guò)引入磷酸根或其它粘合劑(SiO2、Al2O3等)提高中空球形材料的機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。最終利用實(shí)用化中空球形敏感材料開(kāi)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(cè)。

在該項(xiàng)目的支持下，負(fù)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(duì)大氣環(huán)境中的NO2與O3，及有機(jī)揮發(fā)性氣體的檢測(cè)，合成了一系列具有特殊形貌的納米分等級(jí)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(jìn)行了氣敏特性的表征。 針對(duì)大氣環(huán)境中氣體的檢測(cè)，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(jí)結(jié)構(gòu)的WO3材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，方片結(jié)構(gòu)的WO3材料對(duì)于NO2氣體具有較高的靈敏度，對(duì)于40 ppb的NO2的靈敏度達(dá)到24，基本滿足大氣低濃度檢測(cè)的需要。而對(duì)于片狀分等級(jí)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(shí)，對(duì)于40 ppb NO2氣體的靈敏度達(dá)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(jí)結(jié)構(gòu)、片花分等級(jí)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(duì)于NO2氣體的選擇型好、靈敏度高這些特點(diǎn)。并且，具有刺球狀結(jié)構(gòu)的In2O3粉體材料對(duì)于200 ppb的O3的靈敏度高達(dá)133。 我們主要針對(duì)乙醇、丙酮等有機(jī)氣體的檢測(cè)，以水熱/溶劑熱為主要的合成手段，開(kāi)發(fā)了具有片狀多孔分等級(jí)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(jí)結(jié)構(gòu)的SnO2材料對(duì)于100 ppm 的乙醇?xì)怏w的靈敏度高達(dá)56；Pd摻雜后材料的形貌變化不大，而對(duì)于乙醇的靈敏度有明顯的提高；片花結(jié)構(gòu)的SnO2材料對(duì)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(duì)于器件的靈敏度也有明顯的提高。另外，我們還開(kāi)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(duì)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(shí)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(shí)間，對(duì)于40 ppm的乙醇，響應(yīng)與恢復(fù)時(shí)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(shí)間非常快，其響應(yīng)時(shí)間僅為2秒，而在30秒以內(nèi)，器件會(huì)恢復(fù)初始的阻值。

內(nèi)容簡(jiǎn)介

二元過(guò)渡金屬化合物微納米材料因其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)在儲(chǔ)能、傳感、催化等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，因此制備二元過(guò)渡金屬化合物的新穎微納米結(jié)構(gòu)、研究其生長(zhǎng)機(jī)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(diǎn)。這些研究也必將促進(jìn)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(duì)象，在其合成新方法的設(shè)計(jì)、形成機(jī)制以及電化學(xué)性能（如能量存儲(chǔ)和電化學(xué)傳感）等方面進(jìn)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(guó)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(guó)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(guó)家杰出青年稱號(hào)獲得者，中國(guó)科學(xué)院“百人計(jì)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(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所無(wú)機(jī)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(guó)洪堡（AVH）學(xué)者身份在德國(guó)奧...(展開(kāi)全部) 劉軍，博士，德國(guó)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(guó)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(guó)家杰出青年稱號(hào)獲得者，中國(guó)科學(xué)院“百人計(jì)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(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所無(wú)機(jī)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(guó)洪堡（AVH）學(xué)者身份在德國(guó)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(wèn)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(huì)（JSPS）特別研究員身份在日本國(guó)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(wèn)學(xué)者身份在新加坡國(guó)立大學(xué)工程院工作；2011年1—4月以Gledden高級(jí)訪問(wèn)學(xué)者身份在西澳大利亞大學(xué)機(jī)械與化學(xué)工程學(xué)院工作；2011年2月起受聘于中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所稀土資源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

本項(xiàng)目利用現(xiàn)代控制理論中的狀態(tài)空間建模方法對(duì)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(jī)組、冷卻塔、輸配管網(wǎng)及動(dòng)力設(shè)備和空調(diào)房間）進(jìn)行了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模，利用圖論和結(jié)構(gòu)矩陣?yán)碚搶?duì)集中空調(diào)系統(tǒng)部件狀態(tài)空間模型進(jìn)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(jì)，同時(shí)還利用面向?qū)ο蠓抡婕夹g(shù)開(kāi)發(fā)了基于狀態(tài)空間模型的集中空調(diào)系統(tǒng)部件動(dòng)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(jì)生成方法。原定技術(shù)路線是基于BESO等有限元漸進(jìn)形態(tài)優(yōu)化方法，結(jié)合建筑設(shè)計(jì)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(jì)方案。 在課題研究期間，開(kāi)展了多方面的研究與實(shí)踐，包括對(duì)基礎(chǔ)工具的考察與交流，對(duì)空間形態(tài)生成方法、力學(xué)模擬方法的研究與開(kāi)發(fā)，以及實(shí)驗(yàn)性建造等內(nèi)容。研究?jī)?nèi)容從原計(jì)劃的基于BESO方法的交互式過(guò)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(jì)算機(jī)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(jì)、生成方法，以及數(shù)控建造方法體系。 2100433B