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MOFs基rGO-金属氧化物多孔纳米纤维的构筑、表面调控及其室温NO2气敏性能研究

批准号:
12074236
项目类别:
面上项目
资助金额:
62.0 万元
负责人:
卢红兵
依托单位:
学科分类:
表面界面与低维物理
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
卢红兵

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
针对目前金属氧化物(MO)基室温NO2传感器存在灵敏度低、响应恢复慢的问题,本项目拟以MOFs基还原氧化石墨烯-MO(如rGO-ZnO)异质结复合纳米纤维作为室温NO2气敏材料,首先通过MOFs结构的尺寸和孔隙、聚苯乙烯颗粒尺寸、纺丝退火温度和升温速率等参数调控复合纤维的孔径,研究孔径的类型、大小及数量对NO2室温响应/恢复时间的影响;通过温度、淬火、气氛等热处理条件调控复合纤维的表面缺陷,基于实验和理论计算分析缺陷的类型和浓度对NO2室温气敏性能的影响;以“团簇束流源技术”制备的超小尺寸贵金属(Ag、Pd)团簇(<2nm)对复合纤维进行表面修饰,探究团簇修饰对NO2室温气敏性能的尺寸效应及增敏机制;最后对气敏层进行超疏水聚合物纳米纤维表面包覆,研究聚合物包覆对NO2的室温抗湿增敏机理;优化复合纤维的孔径及表面调控参数,获得高灵敏、快速响应恢复等优异的室温NO2气敏特性并揭示相关增敏机制。
英文摘要
In view of the main problems of low sensitivity and long response/recovery times of current metal oxide (MO) based room-temperature NO2 sensors, this project plans to use MOFs-based reduced graphene oxide-MO (such as rGO-ZnO) heterojunction composite nanofibers as room-temperature NO2 gas sensing materials. Firstly, the pore sizes of rGO-MO composite nanofibers will be modulated by controlling the parameters, such as the size and pore size of MOFs nanostructures, size of polystyrene particles, annealing temperature and heating rate during electrospinning. The influences of the type, size and quantity of pores in the composite nanofibers on the room-temperature NO2 response/recovery times of rGO-MO sensors will be deeply studied. The surface defects in rGO-MO nanofibers will be modulated by controlling the heat treatment conditions, such as temperature, quenching, and atmosphere. The influences of the defect type and concentration on the room-temperature NO2 sensing properties of rGO-MO sensors will be analyzed based on experimental and theoretical calculations. Surface modification of rGO-MO nanofibers will be carried out by ultra-small noble metal (Ag, Pd) nanoclusters (< 2 nm) prepared by a magnetron-sputtering gas-condensation cluster-beam source. The size effect and sensing enhancement mechanism of nanocluster surface modification on the room-temperature NO2 sensing properties of rGO-MO will be explored. Finally, superhydrophobic polymer nanofibers will be coated on the surface of the sensing layer, and the enhanced mechanisms of NO2 sensing properties and anti-humidity at room temperature by surface coating will be researched. The related sensing enhancement mechanisms will be revealed, and excellent room-temperature NO2 sensing properties, such as high sensitivities and short response/recovery times, will be obtained by optimizing the parameters of pores and surface regulations.
本项目发展了可控的MOFs和静电纺丝制备技术,可控地制备了多种MOFs基异质结复合纳米纤维。重点研究了静电纺丝技术中升温速率对纳米纤维孔径和氧空位的影响。制备出双MOFs基Co3O4–TiO2多孔纳米片异质结气敏材料,展现出了较好的气敏性能。结合MOFs和静电纺丝法,构建出具高比表面积和丰富氧空位的MOFs基CuO管状纳米纤维,这种CuO纳米纤维具有中空管状结构,管壁上有许多孔洞,这些CuO管状纳米纤维形成具有良好抗聚集性能的三维网状纳米纤维结构,有效增强了MOFs基CuO纳米纤维的比表面面积和室温NO2灵敏度。采用静电纺丝技术和MOFs法构建了一种新型介孔Co3O4–ZnO p–n结纳米纤维,所制备的纳米纤维具有丰富的虫洞状孔、高比表面积和良好的抗团聚性能,便于气体分子的扩散和吸附。以rGO和ZIF-8为前驱体,通过静电纺丝法构建了MOFs基rGO–ZnO 复合纳米纤维,这种复合纳米纤维充分结合了金属有机框架和纳米纤维两类多孔材料的优势,具有高密度的介孔,这两类MOFs基异质结纳米纤维材料均展现出增强的气敏性能。构建了贵金属修饰的Rh–NiO复合纳米纤维、Ag@ZnO纳米笼子和PtO纳米催化剂功能化WO3介孔纳米纤维,获得了增强的气敏特性。构建了Pt团簇修饰的MOFs基ZnO多孔纳米纤维,获得了快速的响应恢复特性和增强的灵敏度。构建出抗湿性的空心CuO纳米球,在高湿环境下具有高的室温NO2气敏响应。通过双针头静电纺丝技术开发出一系列金属氧化物柔性气体传感器,探索了柔性气体传感器在NH3和NO2等气体探测领域的应用。项目深入研究了上述气体传感器的异质结增敏机制、贵金属修饰增敏机制、抗湿性增敏机制及柔性机制。上述相关研究为高性能NO2室温气体传感器的研制提供了有益的参考,在气体传感领域国内外重要科技期刊上发表SCI论文15篇。
非晶核壳结构自支撑纳米纤维膜的构筑、单原子修饰及其柔性室温NO2气敏特性研究
  • 批准号:
    12374186
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    53.00万元
  • 批准年份:
    2023
  • 负责人:
    卢红兵
  • 依托单位:
新型核壳结构相变纳米线的构筑及其多态存储特性研究
  • 批准号:
    11574189
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    70.0万元
  • 批准年份:
    2015
  • 负责人:
    卢红兵
  • 依托单位:
国内基金
海外基金