气体传感器能够快速有效地检测环境中的各类气体，因此被应用在各类领域中，如监测某些对工业生产和人体健康存在危害的气体或者是检测设备内部的工作状况。气敏元器件对被检测气体的必须具备良好的检测限，响应时间以及稳定性以满足实际应用场合下越来越严苛的要求，发展高性能气敏传感器一直是研究的热点。二氧化钛基气敏传感器作为一种重要的半导体金属氧化物已经被发现具有探测各类有害性气体的能力，而制备具有高表面积的TiO2材料，或者合理调控晶体的晶面取向，能够极大改善其气敏性能。然而，尽管有一些实验成功制备了具有高比例的特定晶面的TiO2颗粒，其微观的改性机理尚不完善，提出的理论大部分仅停留于实验观察。本文使用第一性原理计算软件VASP，研究了TiO2两种常见晶型（金红石和锐钛矿）的部分低指数晶面对H2、CO或H2S的微观吸附过程。对于易于制备的晶面取向，采用了实验结合模拟的研究，而对于某些难以制备的晶面，采用了纯仿真的方式进行理论预测。本次工作中的研究思路和气敏机理的解释对制备高性能TiO2基气敏传感器具有重要的实践和理论意义，主要进行了一下几个方面的工作：
　　①通过控制溶液中的H+浓度，辅助水热法制备了一种以纳米柱组合成的纳米花瓣为基本单元而成的分层花状结构。其中溶液中的酸碱度控制了晶粒内部位错的形成，调控了晶面生长的差异，并最终形成了金红石型TiO2。在对氢气的气敏测试中，以该花状纳米材料制备的气敏器件在很宽的浓度范围内均未出现饱和现象，在响应/恢复测试中均表现出良好的性能。模拟了(110)晶面的气敏过程，H2在表面五配位钛原子吸附后，出现了较明显的电子转移和电子结构的变化，这些变化均是导致吸附后电阻减小的原因。气敏信号的主要贡献来源于表面五配位钛原子位点的吸附。
　　②进一步用第一性原理计算的方法深入研究了金红石部分低指数晶面对CO和H2S的吸附过程，以解释不同晶面取向对气敏性能产生差异的原因。我们基于吸附结构、能量、态密度和差分电荷密度的计算，预测相比于CO，金红石TiO2对H2S具有更高的探测性能。特别地，在H2S的吸附中，发现了在(001)晶面上的解离吸附现象，其吸附能最小，并且相互作用后对体系的电子结构产生了明显的变化，从而导致了该晶面的高敏感度。从H2S的分解产生的HS和S基团的投影态密度的结果发现H的1s轨道和表面桥氧的2p轨道发生明显重合，暗示了表面羟基的形成。差分电荷图也印证了H-S化学键的断裂和O-H键的形成。计算结果均表明了(001)面对H2S优异的性能，并给出了不同晶面气敏性能差异的缘由。
　　③系统研究了锐钛矿相TiO2依赖晶面取向的气敏性能，并依据实验和模拟结果深入解释了气敏机理。首先在溶液中F-的辅助下，利用其选择性降低原本高能晶面的特性，并利用NiCl2平衡溶液酸碱度的功能，最终用一步水热法合成了锐钛矿TiO2纳米多面体，并用其制备了CO气敏器件。表征结果表明成功制备了锐钛矿相的和出现了大量(001)面的裸露。气敏测试结果表明(001)对CO气体具有出更高的响应值，更低的工作温度和更快的响应/恢复时间。结合密度泛函理论计算了(101)和(001)的气敏吸附过程，发现了相对于最易出现的(101)面，CO在(001)面的二配位氧上的吸附后发生了一定程度的表面原子重构现象，且这种吸附模式吸附更为稳定，证明了(001)的高化学活性。最后提出了某些高能晶面能够提升气敏性能的几点原因。
　　本次研究所提出的气敏机理为进一步发展高性能气敏材料提供了理论指导，其中的计算思路能够很好地应用于其他气敏体系，帮助其开展理论方面的研究工作。