面向ppb级苯系物检测的铈基多孔新材料构建及富集-催化-气敏协同机制研究
批准号:
62071300
项目类别:
面上项目
资助金额:
64.0 万元
负责人:
王丁
依托单位:
学科分类:
敏感电子学与传感器
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
王丁
中文摘要
苯系物的污染极大地威胁到人体的健康和生命安全,迫切需要高效、低成本苯系物气体传感器。目前,半导体苯系物气体传感器受“ppb级全范围检测困难”,“选择性不高”和“稳定性不足”等限制,难以满足高标准检测的要求。基于此,申请开发一种铈基多孔纳米片包覆金属氧化物纳米纤维的核壳复合气敏材料,通过“选择性吸收富集”,“催化-敏感协同调控”和“敏感材料选择性保护”三个方面有效协同,实现对ppb级苯系物的高效检测。探索合成过程中的热力学和动力学机制,实现金属氧化物纳米纤维表面铈基多孔纳米片阵列可控生长。研究传感器构效关系,明晰铈基多孔纳米片孔道结构、过渡层厚度、孔径大小、片层尺寸、晶体结构、缺陷浓度、表面修饰等要素对苯系物敏感性能的影响规律。计算模拟结合气敏/催化测试及先进的原位表征结果分析,阐明复合气敏材料“富集-催化-气敏”协同作用机制。最终,为新一代高效苯系物半导体气体传感器开发提供理论和技术支持。
英文摘要
The pollution of benzene series (BTEX) vapors is a great threat to human health, indicative of the urgent need to detect BTEX with high efficiency and low cost. At present, the BTEX semiconductor gas sensor is difficult to meet the high standards due to the problems of “difficulty in achieving full-range detection of ppb level BTEX", "low selectivity" and "insufficient stability". Based on this, we try to develop a Ce-based porous nanosheets coated metal oxide (MOS) composite gas-sensitive material to realize efficient detection of ppb level BTEX, which can be attributed to the synergy of "selective absorption and enrichment of BTEX", "catalysis and sensitivity cooperative regulation" and "selective protection of MOS sensitive materials". The thermodynamic and kinetic mechanisms will be explored to realize controllable growth of Ce-based nanosheets array on MOS nanofibers. The structure-function relationship of sensors are studied to clarify the influence of different factors on gas sensitivity, including pore structure, transition layer thickness, porous size, nanosheets size, crystal structure, defect concentration and surface modification. The "enrichment-catalysis-gas sensitivity" mechanism of gas-sensitive materials is elucidated by calculation and simulation, combined with the results of gas-sensitive/catalytic test and in-situ characterization. Finally, the theoretical and technical foundation can be established for the development of the new generation of BTEX gas sensor.
苯系物的污染极大地威胁到人体的健康和生命安全,迫切需要高效、低成本苯系物气体传感器。针对半导体气体传感器在苯系物检测中“ppb量级全范围检测困难”,“选择性不高”和“稳定性不足”等难题,从“目标气体选择性吸收富集”,“催化-敏感协同调控”和“敏感材料选择性保护”三方面入手,分别通过构建具有纳米纤维/纳米片分级结构的SnO2@MoS2和SnO2@NiO、具有“催化-敏感”协同的MOS@UiO-66(Ce)、MOS@CeO2纳米纤维/纳米片双层气敏元件和贵金属敏化的MOS@CeO2复合气敏材料设计等策略,获得了常用气敏元件的苯系物检测通用改性方法。通过有效结合材料物理/化学性质表征结果、理论计算和原位表征手段,明晰了材料制备和调控机制及材料和气体之间的热/动力学行为。研究取得以下重要结论:(1)开发出对ppb量级苯系物具有高灵敏、高选择性和优异稳定性的系列半导体气体传感器:WO3/Ag@CeO2传感器、PtPd/CeO2/WO3传感器和PtPd/1%Ce/P-WO3传感器对1 ppb二甲苯检测的响应值(Ra/Rg)分别为1.2、1.4和2.1,且在1-1000 ppb范围内具有优异的线性关系;(2)建立了Ce-MOF和CeO2纳米片生长调控及改性物理模型,通过加入Ag离子或Ru离子同时实现了Ce-MOF材料形貌调控和贵金属催化敏感材料的原位掺杂,明晰了“富集增敏”及“催化诱导增敏”气敏机制;(3)明晰了Ce-MOF及CeO2纳米片在MOS材料上的热/动力学生长机制和纳米片生长调控机制,同时还获得了MOS@Ni-MOF、MOS@Co-MOF、SnO2@MoS2等纳米纤维/纳米片的通用性制备方法。在项目资助下,项目负责人以第一或者通讯作者在包括Progress in Materials Science, Angewandte Chemie-international Edition, Advanced Functional Materials, Nano Letters, Sensors and Actuators B: Chemical, Analytical Chemistry等行业专业期刊中发表中科院一区SCI论文14篇,二区SCI论文8篇,申请及授权发明专利8项,培养博士研究生1人,硕士研究生12人,高质量完成预期研究任务指标。
面向氢气低温高效检测的二维高熵金属氧化物的制备及敏感机理研究
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批准号:--
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项目类别:面上项目
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资助金额:53万元
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批准年份:2024
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负责人:王丁
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依托单位:
面向ppb级苯系物检测的铈基多孔新材料构建及富集-催化-气敏协同机制研究
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批准号:--
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项目类别:--
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资助金额:64万元
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批准年份:2020
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负责人:王丁
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依托单位:
核壳串联纳米复合气敏材料的构筑及“催化-敏感”协同效应研究
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批准号:19ZR1435200
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项目类别:省市级项目
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资助金额:0.0万元
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批准年份:2019
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负责人:王丁
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依托单位:
压电核壳纳米阵列的构建及换能特性研究
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批准号:51402193
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:25.0万元
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批准年份:2014
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负责人:王丁
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依托单位:
国内基金
海外基金