1. 高稳定性多级结构氧化物气敏材料和器件的可控组装
针对目前氧化物半导体气敏纳米材料存在灵敏度不高、稳定性和选择性差等缺点，团队主要围绕多级结构氧化物纳米结构材料的设计合成与形成机制开展了系列研究工作，利用液相化学合成手段，通过选择不同的有机小分子与金属离子配位以及生长过程的控制来实现对材料形貌与显微结构的调控，制备了一系列由低维纳米结构单元构筑的氧化物多级结构材料；在氧化物多级结构材料的设计合成基础上，围绕多级结构材料在器件上的原位组装开展了系列研究工作，发展了晶种和界面诱导原位组装技术将具有多级结构的氧化物材料直接生长在器件表面上；通过调整合成路线考察了原位生长膜的生长过程，实现了对膜厚和形貌均一性的有效控制，获得了较佳的制备工艺，实现了对有毒有害、易燃易爆和湿度等气体的高灵敏、高选择性、高稳定性的痕量检测。
a) ZnO纳米网; b) WO3纳米线; c) SnO2纳米管; d) α-Bi2Mo3O12纳米花; e) Bi2MoO6纳米核桃; f) SnO2纳米吐司; g) Co3O4纳米立方体; h) Ho2O3纳米管球; i) PANI/TiO2纳米棒阵列; j) Fe2O3纳米棒阵列; k) Ho2O3纳米片阵列; l) NiO纳米墙阵列。
2. 表面分析技术结合理论计算揭示气体敏感机制
针对目前气体敏感机理不明确，缺少实验证据证实等问题，本课题组创新采用XPS 、GC-MS和原位DRIFT等技术联用，结合理论计算揭示敏感机制，利用XPS分析材料表面吸附氧含量、元素价态等信息，明确材料表面在与测试气体作用前后的变化；利用GC-MS技术测试气体与材料表面作用后气相产物的改变；通过原位DRIFT技术监控气体在材料表面吸附过程中的气体分子的吸附位点和构象等的转变。此外，结合理论计算对材料裸露晶面、异质界面和缺陷等对气体的吸附能力和电子传输能力进行印证，进而真正通过实验技术和理论支撑明确了一些检测气体在某些氧化物基气敏材料表面的新的作用过程和反应机制，为传感材料性能的进一步提升提供了可靠的依据。
a) NO2气体传感机理示意图; b) 材料在不同气氛下与NO2气体接触后的原位红外测试图; c) 与NO2气体接触前后材料表面的XPS和气质谱测试图; d) H2S气体传感机理示意图; e)与H2S气体接触前后材料表面的XPS测试图。
3. 探索传感的新应用
团队通过所设计的新材料，开发了器件的新应用。在不同环境（大气、停车场、校园）中的NO2气体监测、VOC气体检测、鱼虾鲜度检测、糖尿病患者呼气中丙酮浓度监测、人体运动呼气监测、护手霜保湿效果监测、低湿（RH<10%）环境检测、湿度扫描与成像等方面做了探索，一些重要的性能指标明显优于目前商业化的进口产品。目前，团队正与昆明贵研金属有限公司合作开发便携式气体传感器产品，用于特殊环境如低湿环境中的湿度检测。
a) 糖尿病病人呼气检测; b) 鱼虾新鲜度检测; c) 异丙胺类除草剂检测; d) 正丙胺类农药检测; e) 大气环境NO2气体检测; f) NH3气体检测试纸; g) 呼吸实时监测; h)护手霜功效检测; i) 水槽文字成像检测。
4. 基于多级结构氧（硫、磷）化物复合材料的电化学传感器的构建及应用研究
纳米金属氧（硫、磷）化物因合成简单，电催化性能良好，被广泛应用于传感检测方面。但作为电化学传感器电极材料他们的选择性，灵敏度，生物兼容性以及抗干扰能力仍需进一步提高。若制备出低维纳米结构单元构筑的多级结构氧（硫、磷）化物复合材料，往往可以做到单一纳米材料不具有的特性，发挥它们的协同作用，构建出性能优异的电化学传感器。我们团队针对多级结构氧（硫、磷）化物基复合材料的可控合成以及电传感机理开展了一系列研究。可控合成出了一系列多级结构氧（硫、磷）化物复合材料。并且这些材料构建的电化学传感器表现出了高的灵敏度高、宽的检测范围、响应迅速、抗干扰性强等优势电化学性能。因此，多级结构氧（硫、磷）化物复合材料在电化学传感器中具有不错的应用前景。
a) MnO2纳米海胆; b) Fe3+-ɛ-MnO2纳米绣球花; c) WO2-NaxWO3/CSs纳米球; d) ZnO纳米搅拌棒; e) MoS2/rGO纳米花; f) DPV曲线和峰值电流与DA浓度的校准图; g) LSV曲线和峰值电流与亚硝酸盐浓度的对应校准图; h); i-t曲线和电流响应校准图; i) DA选择性机理示意图; j) 与DA进行氧化还原反应前后材料表面的XPS测试图。
2021年9月
