金属氧化物气敏材料高通量筛选与选择性优化研究

摘要

气味是物质最重要的特征之一，人类生产生活中对气味检测的需求促进了气敏传感器的迅速发展。气敏传感器被广泛应用于空气质量检测、食品品质监控、国防安全、生物医疗等领域。金属氧化物材料因其高灵敏度、低成本、易微型化等优势成为气敏领域最常用的敏感材料，但其最主要的缺陷是选择性差。通过组合成金属氧化物阵列可以提高选择性，但同时也存在阵列优化问题，即如何针对特定应用选择最优材料组合和最优工作条件（热、光等外场）。
　　通过材料合成方法改变金属氧化物材料气敏性能的方法有很多，其中表面改性不仅可以改变金属氧化物表面耗尽层分布，还可以调控金属氧化物表面化学活性，同时，可供表面改性的元素众多。所以，表面改性是一种简单、有效、灵活可控的金属氧化物气敏材料改性方法。另外，金属氧化物材料在不同外场（热、光）的激发下也会展现不同的气敏性能，例如存在最佳工作温度、温度调制方法可提高选择性、室温下光激发可提高敏感性等。因而本文通过30余种元素表面改性，调控了3种金属氧化物基体材料的气敏性能，并在不同外场条件下针对有毒有害气体检测、粮食霉变检测、皮革异味检测的应用，基于高通量筛选方法测试各金属氧化物材料的气敏性能，并进行了选择性分析和阵列优化。金属氧化物气敏性能由表面化学反应活性决定，因而本文也试图建立一个有效获取金属氧化物表面化学吸附氧的吸附激活能和脱附激活能的方法，并基于这些化学层面的性能参数分析各金属氧化物气敏材料的选择性差异。
　　首先，利用组合材料学思想对SnO2、WO3和ZnO体系材料进行了34种元素表面修饰，通过自制高通量测试平台获取了他们在不同温度下对9种有毒有害气体的稳态响应性能，利用聚类分析方法说明了基体和改性元素对材料气敏性能的影响，最后筛选出了对有毒有害气体检测性能优异的材料阵列。
　　其次，利用组合材料学思想对SnO2、WO3和ZnO体系材料进行了32种元素表面修饰，在自制顶空气味分析仪上获取了他们在光热调制下对粮食和皮革样品气味的响应-特征图谱，运用 PCA方法分析了基体和改性元素对材料响应特征的不同作用，并针对每类被测样本筛选了两种气敏性能最佳的敏感材料。
　　最后，本文建立了计算金属氧化物表面化学吸附氧吸附、脱附激活能的理论模型，并利用程序升温技术对32种元素表面改性的SnO2、WO3和ZnO体系材料表面氧吸附脱附活化能进行了拟合，分析了改性元素与材料氧吸附脱附活化能之间的关系，最后基于这些化学层面的性能参数分析了各金属氧化物气敏材料的选择性差异。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 组合材料学方法在气敏材料筛选中的应用

1.3 通过外场调控优化金属氧化物材料气敏性能

1.4 本研究的目的和内容

第2章 有毒有害气体检测用金属氧化物气敏材料的筛选

2.1 引言

2.2 多参数多通道测试平台

2.3 实验流程

2.4 结果分析

2.5 本章小结

第3章 粮食霉变和皮革异味检测用金属氧化物材料的筛选

3.1 引言

3.2 顶空气味分析仪及其加热附件

3.3 实验部分

3.4 实验结果

3.5 本章小结

第4章 金属氧化物表面氧吸附/脱附活化能测量与材料筛选

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 模型建立

4.4 实验结果

4.5 本章小结

第5章 全文总结与展望

5.1全文总结

5.2展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表的论文