金属氧化物微纳米结构的合成、调控及气敏性能研究
设计简单、低廉、环保、高效的合成策略和开发新型的微纳米材料是微纳米技术研究的重点，对于纳米技术的发展具有重要意义。本论文围绕着半导体金属氧化物微纳材料的结构和组分调控，开发高性能的新型气敏材料。结构调控主要是利用微纳米技术制备具有一维、三维、多级、多孔、核壳结构以及暴露高指数晶面的微纳米晶等微纳材料；组分调控主要是制备具有复杂形貌的复合微纳材料如贵金属负载型金属氧化物微纳结构、复合金属氧化物微纳结构等。制备出一系列新颖的结构复杂、组分可控的金属氧化物微纳结构。主要内容如下：
1.通过不同方法制备出如下几种多孔纳米材料，并对其结构或组分进行调控，然后考察其气敏性能。
(1)通过前驱体.焙烧法制得多孔α-Fe2O3，并将其作为载体负载Au纳米粒子，并用于气敏研究。由于多孔α-Fe2O3的疏松孔隙结构和Au纳米粒子的催化作用，以及Au纳米粒子与多孔α-Fe2O3之间的电子相互作用，Au/多孔α-Fe2O3表现出较好的气敏性能，灵敏度高、重复性好。
(2)利用碳球模板法，制备出Ni掺杂的SnO2空心球，由于p型半导体NiO与n型半导体SnO2之间形成了p-n结，以及空心球的三维疏松通透结构，Ni-SnO2空心球对重醇如正丁醇等具有较好的选择性、响应也较高。这说明Ni基掺杂剂有望代替贵金属添加剂制备气敏材料，降低材料的合成成本。
(3)水热法制得水胆矾(Cu4(OH)6SO4)梭形微米片前驱体，并通过改变溶液浓度、水热时间、表面活性剂的种类等系统地考察其形成过程。然后将前驱体焙烧得到蠕虫状CuO微米结构，该蠕虫状CuO微米片对乙醇和甲醇具有较好的响应，但对乙醇更为敏感。
2.首次利用氨基酸水热仿生合成出碱式碳酸锌三维多级结构前驱体，并考察了其形成过程。前驱体焙烧得到比表面积高达193.7 m2/g的ZnO三维多级多孔纳米结构，再将其作为载体负载Au纳米粒子。由于Au纳米粒子的催化作用和ZnO三维多级多孔疏松结构以及二者之间的电子相互作用，Au/ZnO三维多级多孔纳米结构表现出优异的气敏性能。这种合成策略对制备其它高级功能纳米材料用于提高材料的性能具有重要的指导意义。
3.利用赖氨酸辅助一步负载法，以赖氨酸为保护剂，将负载Au/Pt纳米粒子原位负载在金属氧化物一维微纳结构表面，制备出Au(Pt)/ZnO亚微米棒和Pt/WO3纳米棒，并用于气敏研究。无需对载体或贵金属纳米粒子进行表面修饰，简化了合成过程、降低了制备成本。由于贵金属Au、Pt纳米粒子的溢流效应和催化作用，以及Au、Pt纳米粒子与载体氧化物之间的强电子相互作用使界面Schottky势垒升高，促进载体金属氧化物对表面活性氧负离子的吸附，加速气敏响应过程，Au/ZnO亚微米棒和Pt/WO3纳米棒的气敏性能显著提高。
4.通过两步水热法和赖氨酸辅助一步法，制备出新颖的核壳异质结构α-Fe2O3@SnO2/Au三元核壳纳米纺锤体，并用于气敏研究。该三元核壳异质结构由α-Fe2O3纳米纺锤体核和负载Au纳米粒子的SnO2壳层组成，由于Au纳米粒子的催化作用、各组分的协同作用、及特殊的核壳结构，α-Fe2O3@SnO2/Au核壳结构的气敏性能得以显著提高，灵敏度高、响应恢复快。这对设计组分可调、形貌可控、结构复杂的高级功能材料的理论研究和实际应用都具有一定的指导意义。
5.以甲酰胺作为表面保护剂，通过水热法制备出暴露高指数{104}晶面的α-Fe2O3单分散菱形晶体(α-Fe2O3/{104})，并系统地研究了其形成机理。α-Fe2O3/{104)是通过β-FeOOH初级纳米粒子的聚集-相转变-重结晶过程形成的，甲酰胺在该过程中起了重要作用。由于高指数{104)晶面特殊的原子排布，大量不饱和配位的Fe原子和氧空位促进了晶体对表面氧负离子的化学吸附，α-Fe2O3/{104)表现出优异的气敏性能。这对高指标晶面工程用于高性能器件应用具有指导意义。
金属氧化物;微纳米结构;合成策略;组分调控;气敏性能
南开大学
博士
无机化学
吴世华
2012
中文
O611.62;TB383
181
2013-06-28（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）