【摘 要】
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甲醛是一种无色但有刺激性气味的有毒气体,长期暴露会导致咳嗽,恶心和打喷嚏,甚至会导致中毒死亡。但是,市场上的甲醛传感器依旧存在成本过高,灵敏度偏低以及检测限不足等缺点,无法满足实际应用需求。因此,设计和开发低成本,高效的甲醛传感器对环境保护以及安全防护具有重要的意义。本论文主要针对于传统纳米材料制备的甲醛传感器依旧存在灵敏度低、选择性差、响应/恢复时间较长以及稳定性较差等问题。以新型纳米片/纳米纤
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甲醛是一种无色但有刺激性气味的有毒气体,长期暴露会导致咳嗽,恶心和打喷嚏,甚至会导致中毒死亡。但是,市场上的甲醛传感器依旧存在成本过高,灵敏度偏低以及检测限不足等缺点,无法满足实际应用需求。因此,设计和开发低成本,高效的甲醛传感器对环境保护以及安全防护具有重要的意义。本论文主要针对于传统纳米材料制备的甲醛传感器依旧存在灵敏度低、选择性差、响应/恢复时间较长以及稳定性较差等问题。以新型纳米片/纳米纤维分级结构材料的设计和构建为出发点,充分结合纳米纤维和纳米片的结构特点和优势,实现新型甲醛敏感材料的设计开发。通过研究分级结构对材料气敏特性的影响,明晰分级核壳纳米材料气敏机制,探索纳米片/纳米纤维分级结构材料在甲醛传感器领域的应用价值。研究工作主要包括以下三个部分:（1）SnO2纳米纤维/纳米片分级结构材料的制备及敏感性能研究:以静电纺丝法制备的SnO2纳米纤维（NFs）作为主体材料,通过水热法制备具有分级结构的SnO2纳米纤维/纳米片（NF/NSs）。表征证明了SnO2NF/NSs的形貌为纳米片（NSs）阵列均匀生长在纳米纤维骨架表面。进一步,对其敏感性能进行研究。结果表明在120℃的最佳工作温度下,SnO2 NF/NSs对于100 ppm甲醛气体的灵敏度达到57,检测限为500 ppb,响应/恢复时间分别为4.7 s/11.6 s。此外,为了研究分级结构材料的气敏传感机制,制备并测试了单一结构的SnO2NFs,SnO2NSs以及SnO2混合物（NFs-NSs-Mix）的敏感性能。研究结果表明:相比于SnO2NFs,SnO2NSs以及SnO2NFs-NSs-Mix气体传感器,分级结构材料的敏感性能在相同测试条件下可以提高2～3倍。敏感性能的提高可以归结为纳米片和纳米纤维的协同、分级结构的构建和较大的比表面积。（2）氧化石墨烯（GO）敏化SnO2纳米纤维/纳米片:为了进一步提高材料对甲醛的敏感性能,以GO作为增敏剂,制备了三维分级GO@SnO2 NF/NSs纳米复合敏感材料。气敏测试结果表明:GO@SnO2 NF/NSs纳米复合材料的最佳工作温度为60℃,最佳的GO复合比例为1 wt%。当处于最佳工作温度时,1 wt%GO@SnO2NF/NSs纳米复合材料对于100 ppm甲醛气体的灵敏度达到280。进一步,对复合材料中GO的复合比例进行研究。研究结果表明:外壳SnO2 NSs与GO接触处所产生的势垒有效调节初始电阻,促进材料之间的电子转移,实现对敏感材料敏感性能的改善,提高其灵敏度的同时降低了工作温度并优化了选择性。通过本章的研究工作,证明了利用GO敏化三维结构材料可以实现敏感性能的提升。然而,低温过程中会造成材料响应恢复/速度减慢和受湿度干扰增加等问题。（3）In2O3@SnO2分级核壳结构材料的制备和敏感性能研究:为了进一步提高材料综合敏感性能,设计构建了异质核壳复合材料。以In2O3 NFs作为内核材料,采用水热生长法制备出具有分级核壳结构的In2O3@SnO2气敏复合材料。测试结果表明,传感器在最佳工作温度120℃下,In2O3@SnO2对100 ppm甲醛气体的灵敏度为180.1左右,同时具有优异的选择性、快速的响应/恢复速度（3 s/3.6 s）、良好的稳定性和抗湿性及较低的气体检测下限（10 ppb）。通过和单一结构的In2O3 NFs和SnO2 NSs进行对比,发现分级核壳结构的构建有效促进内外层材料之间的电子转移,形成肖脱基势垒,有效调节电阻,有利于甲醛敏感性能的提高,证明了纳米片/纳米纤维分级核壳结构的设计是改善其敏感性能的有效方法之一。
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