973計劃項目申報資料CB939700納米材料與結(jié)構(gòu)在環(huán)境氣體污染物檢測與應(yīng)用學習基礎(chǔ)研究

1、項目名稱：納米材料與結(jié)構(gòu)在環(huán)境氣體污染物檢測與治理中的應(yīng)用基礎(chǔ)研究首席科學家：趙修建 武漢理工大學起止年限：2009.1 至 2013.8依托部門：教育部/'、研究內(nèi)容本項目關(guān)鍵科學問題:如何使納/微米材料及結(jié)構(gòu)對目標分子或物質(zhì)具有特異選擇性識別性能？如 何實現(xiàn)納米光催化材料對有毒有害氣體分子的高效率、大容量吸附及有效降 解？上述關(guān)鍵科學問題可以分解為以下五個層次或角度來解決:(1) 構(gòu)成敏感材料體系的分子或超分子體系與目標分子的相互作用性質(zhì)與識別 特性的關(guān)系、敏感材料設(shè)計合成策略：什么樣的分子結(jié)構(gòu)或超分子聚集體結(jié)構(gòu)能 選擇性地與目標分子發(fā)生相互作用，同時在物理或化學信號上有響應(yīng)？決定

2、上述 相互作用的關(guān)鍵分子結(jié)構(gòu)或超分子結(jié)構(gòu)因素是什么？如何有效構(gòu)筑所需要的分子或超分子結(jié)構(gòu)？如何找到并利用分子結(jié)構(gòu)、超分子結(jié)構(gòu)與納/微米結(jié)構(gòu)的協(xié)同 作用提高選擇性的有效方法和途徑?(2) 有機納/微米結(jié)構(gòu)導致的選擇性及靈敏度增強機理和方法：什么樣的納/微 米結(jié)構(gòu)對特定的目標分子具有識別特性，并能誘導納 /微米結(jié)構(gòu)物理特性(包括 聲學、光學、電學特性)的改變？導致這種信號增強及識別特性的原理和關(guān)鍵結(jié) 構(gòu)特征是什么？如何設(shè)計和制備具有選擇性識別特性的結(jié)構(gòu)?(3) 識別誘導的信號轉(zhuǎn)換、提取、增強、及檢測方法和技術(shù)：在解決了上述兩 個問題基礎(chǔ)上，如何實現(xiàn)有機納/微米敏感材料、結(jié)構(gòu)與一些器件基底材料(主

3、要是無機壓電材料、半導體材料)的兼容和耦合？器件形成過程中表面與界面的 處理方法和技術(shù)？如何通過有效電子學方法實現(xiàn)響應(yīng)信號的轉(zhuǎn)換、提取、增強、 及檢測?(4)納米氧化物材料的結(jié)構(gòu)特性與對有毒有害分子的吸附與催化降解的關(guān)系:揭示闡明光催化材料與氣體分子作用的物理化學行為及其對結(jié)構(gòu)和性能的影響;復合材料體相、界面和表面的化學組成和結(jié)構(gòu)對材料的響應(yīng)性能、表面物理和化學吸附性能，以及對凈化性能的影響機理和規(guī)律,闡明納米氧化物污染檢測與凈化材料的組成一結(jié)構(gòu)一性能三者間的相互關(guān)系。(5)納米光催化材料的空氣凈化機理與使役行為:認識服役環(huán)境下光催化材料與氣體分子的作用機理以及光催化材料的組成、結(jié)構(gòu)演化機制及

4、其對性能的影響規(guī)律；揭示納米氧化物凈化材料的可恢復性失效,即失活，以及其再生機制是提高凈化材料的可靠性水平的重要途徑。本項目的主要研究內(nèi)容:圍繞上述關(guān)鍵科學問題，本項目擬開展的主要研究內(nèi)容包括以下六個部分:（一）納米材料與結(jié)構(gòu)對氣體分子的響應(yīng)與信號增強 1、敏感材料的分子識別與信號響應(yīng)從性能的角度來看，空氣中有害污染物檢測技術(shù)需要解決的主要問題仍然是 提高選擇性、改善靈敏度和增強穩(wěn)定性，為了解決這些問題，我們擬從敏感材料 的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計入手，通過分子結(jié)構(gòu)設(shè)計首先使構(gòu)成敏感材料的分子或超分子體 系對目標分子（如 H2S、NO、SQ、CO甲醛、苯類等）具有選擇性識別特性。在此基礎(chǔ)上研究由于識別作用

5、導致的信號響應(yīng)性質(zhì)， 即識別的同時要感應(yīng)出一些 能夠容易檢測的物理量（如聲波、光或電信號）。在設(shè)計合成敏感材料時不但要 考慮其識別特性，還要考慮分子要具有特殊的光、 電和聲學性質(zhì)，而且這些性質(zhì) 對目標分子具有響應(yīng)特性，即當目標分子被識別后，會使敏感材料的光、電或聲 學性能發(fā)生明顯變化，給出容易檢測信號。2、納/微米復合結(jié)構(gòu)（包括有機/無機復合）與信號增強及高選擇性在解決了材料的識別與響應(yīng)性能的基礎(chǔ)上，擬進一步開展的研究是提高材料 的檢測靈敏度。我們擬通過將敏感材料制備成具有納米結(jié)構(gòu)特性的材料來實現(xiàn)高 的靈敏度。另外，利用已有的高靈敏度無機納米結(jié)構(gòu)和材料， 通過適當?shù)挠袡C修 飾制備無機/有機復合

6、材料來獲得高靈敏度、高選擇性敏感材料也將是重要研究 內(nèi)容。擬將化學傳感和光子晶體原理結(jié)合，研究探討基于此原理高選擇性和高靈 敏度環(huán)境檢測的方法和技術(shù)。我們擬通過一些納 /微米結(jié)構(gòu)的優(yōu)化來研究納/微米 結(jié)構(gòu)誘導的選擇性識別機理、發(fā)展基于光子晶體原理的高選擇性檢測方法， 以期 能夠替代一些比較復雜的陣列檢測器件。3、敏感膜表面及界面與信號的提取和轉(zhuǎn)換檢測器件的核心是敏感膜，因此敏感膜特性的研究對于檢測器件的性能有重 要意義。在前兩個研究部分的基礎(chǔ)上，本部分的研究重點是敏感膜材料體系的研 究，這部分研究實際上在進行從材料到檢測器件間的跨越。 為了適合有機納米器 件的信號耦合等功能，首先需要研究有機與

7、有機界面、 有機與無機界面、有機與 電極界面以及有機/無機/金屬三者交匯等各種界面形式，建立調(diào)控有機納米薄膜 形態(tài)結(jié)構(gòu)的新方法。在此基礎(chǔ)上研究納米尺度有機敏感薄膜與無機壓電晶體或支撐襯底之間的接觸和耦合。對具有特異性、選擇性吸附的有機敏感吸薄膜及有機 納米結(jié)構(gòu)進行研究，并將其與聲表面波、光子微結(jié)構(gòu)及電學器件相結(jié)合，使感應(yīng) 信號被提取和轉(zhuǎn)換，以達到檢測目的。（二）納米TiO2基光催化材料的微結(jié)構(gòu)形成規(guī)律、構(gòu)效關(guān)系與性能高效化 1、新型可見光響應(yīng)光催化材料的制備及性能研究通過設(shè)計具有核/殼結(jié)構(gòu)和線纜結(jié)構(gòu)的窄帶半導體/納米TiO2等氧化物的 新型納米復合結(jié)構(gòu)光催化材料，實現(xiàn)將納米 TiO2等氧化物的

8、光敏感區(qū)域有效地 從紫外區(qū)域擴展至可見光范圍，從而獲得對可見光敏感的穩(wěn)定高效光催化材料。2、多功能集成復合光催化材料的微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控及性能優(yōu)化開展具有核/殼結(jié)構(gòu)及線纜結(jié)構(gòu)等新型納米SiO2或分子篩或納米活性碳/納 米TiO2等氧化物復合結(jié)構(gòu)光催化材料的制備科學及其光催化降解有毒、有害氣 體和細菌性能研究，研究復合光催化材料的形貌、比表面積、孔道類型及結(jié)構(gòu)、 殼層厚度、界面組成及結(jié)構(gòu)等對光催化性能的影響， 探索光催化活性中心與有機 污染物分子吸附中心之間的通道及相對分布對兩者之間協(xié)同作用的影響及規(guī)律;研究對核/殼結(jié)構(gòu)和線纜結(jié)構(gòu)納米TiO2復合光催化材料摻雜改性方法，使其具有 可見光敏感催化性能，實

9、現(xiàn)大吸附容量，高催化活性和可見光敏感等多功能集成。3、三維有序大孔光催化材料薄膜的制備、性能研究及調(diào)控研究低成本制備三維有序大孔納米結(jié)構(gòu)TiO2等氧化物及其復合氧化物光催 化材料的制備科學及大孔形貌調(diào)控方法；研究大孔尺寸、孔壁厚度、孔壁組成和 結(jié)構(gòu)等對光子晶體帶隙、光學性能和光催化性能的影響規(guī)律；利用光子晶體的帶強化光邊對光催化活性增強原理，研究三維有序大孔光催化能提高光俘獲效率， 與物質(zhì)相互作用，從而提高光催化性能的原理及機制。4、氣體分子與光催化材料、氣敏材料界面的物理化學交互作用過程及光催化機 理和氣敏機理從原子-分子-納米尺度上對 TiO2基光催化材料的催化機理和半導體金屬 氧化物材料

10、的氣敏機理進行計算機理論模擬。針對金屬或非金屬摻雜半導體氧化物，不同種類和納微結(jié)構(gòu)的復合結(jié)構(gòu)半導體氧化物，以及典型有毒、有害氣體分 子和半導體氧化物等體系，采用第一性原理，半經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃瓦^渡態(tài)理論等方法進 行理論計算，并結(jié)合 HRTEMHRSEMAFM ART XPS等實驗研究方法，研究金屬 或非金屬離子、半導體氧化物復合、有毒氣體分子的性質(zhì)及其對納米半導體光催 化材料的能帶影響的規(guī)律，對光催化性能影響的基本規(guī)律，建立光催化材料工作 機理的理論模型。（三）污染氣體檢測與治理器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計及技術(shù)集成1、聲表面波等檢測方法、技術(shù)與器件基于材料方面的研究基礎(chǔ)，篩選出一些適用于聲表面波、光和電學檢測方法

11、 的材料體系，并將主要工作集中在聲表面波檢測方面；開展系統(tǒng)的檢測方法、技 術(shù)、器件、系統(tǒng)等方面的研究。通過檢測器的建模分析，對微觀尺度結(jié)構(gòu)的電聲、H2S、NOx、化學等多參量進行耦合理論分析，研究不同濃度的氣體（主要包括SOx、co、甲醛、苯類等）吸附對聲表面波器件的頻響模式的影響規(guī)律，設(shè)計并 研制出穩(wěn)定性好、插入損耗低且靈敏度高的聲表面波氣體檢測器芯片。 利用微電 子平面工藝進行器件集成方法和工藝的研究。采用統(tǒng)計模式識別技術(shù)、人工神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)（ANN）技術(shù)和進化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ENN）技術(shù)進行陣列模式識別方法的研究，優(yōu)化出 最佳陣列化聲表面波檢測方案。2、光催化和光電復合催化凈化器設(shè)計與優(yōu)化研究納米

12、TiO2復合光催化材料的成型技術(shù)及在玻璃、金屬、多孔陶瓷等上 的固載化技術(shù)，設(shè)計具有高效率的光催化氣體凈化組件； 針對光催化凈化器光子 傳輸局限和氣體擴散特點，根據(jù)流體動力學和電磁介質(zhì)傳輸理論， 進行數(shù)值模擬 計算，以此為依據(jù)，對光催化凈化器結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，進而構(gòu)建有毒、有害氣 體光催化凈化器。3、多光束驅(qū)動光電復合催化凈化器的研究依據(jù)在液相條件下二電極或三電極模式的光電復合催化原理，研究氣相光催 化的電極設(shè)計原理和方法，構(gòu)建氣相光電復合催化凈化器組件；研究在氣相光電 催化作用下光生載流子的傳輸機理和反應(yīng)物的反應(yīng)模式； 研究外加電場及多光束 驅(qū)動對光催化活性的影響規(guī)律及其物理與化學機制， 探

13、索提高光催化效率的新途 徑和方法。4、服役條件下光催化材料與器件的失效機理與可靠性的研究通過對光催化材料、氣敏材料與元件服役條件下的各種主要影響因素（電負 荷、環(huán)境因素、應(yīng)力以及污染物）的獨立作用及交互作用的對比研究，分析總結(jié)服役條件下光催化材料和氣敏材料的組成、結(jié)構(gòu)及性能的變化規(guī)律，并在此基礎(chǔ) 上研究提高光催化材料、氣敏材料與元件可靠性的措施與方案。研究在再生過程 中失活光催化材料、氣敏材料的體相及表面的組成、結(jié)構(gòu)及光催化性能的演化過 程和變化規(guī)律，探索失活光催化材料和氣敏材料的離線和在線再生方法和途徑。二、預期目標（一）總體目標密切結(jié)合我國環(huán)境（主要包括空氣環(huán)境）保護應(yīng)用技術(shù)的重大需求，圍

14、繞當前環(huán)境氣體檢測與治理技術(shù)領(lǐng)域中所面臨的高選擇性、檢測與治理一體化”等關(guān)鍵科學問題，本項目擬從以下五個方面展開系統(tǒng)深入的研究工作：（1）敏感材料體系的分子與待檢測物質(zhì)的相互作用性質(zhì)；（2）信號的轉(zhuǎn)換、有機納米結(jié)構(gòu)導致的信號增強；（3）選擇性提高機理和方法，信號的提取、增強、及檢測方法和 技術(shù)；（4）光催化材料的空氣凈化機理；（5）空氣凈化材料及器件的制備與性能優(yōu)化。將在新型檢測與治理機制、新材料體系、檢測及治理系統(tǒng)的集成等基礎(chǔ)層 面實現(xiàn)原始創(chuàng)新。在此基礎(chǔ)上進行技術(shù)集成，研制高性能有害物質(zhì)檢測器件及治 理系統(tǒng)。使我國在高性能環(huán)保檢測與治理技術(shù)領(lǐng)域擁有自主知識產(chǎn)權(quán)和若干關(guān)鍵 核心技術(shù)，總體達到或

15、接近國際先進水平；為我國環(huán)保技術(shù)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠 定技術(shù)基礎(chǔ)，最終為產(chǎn)業(yè)提供強大的技術(shù)支撐。（二）五年目標通過本項目的實施，將形成納米材料與結(jié)構(gòu)在環(huán)境氣體污染物檢測與治理領(lǐng)域的前沿性研究體系，力爭取得 23項具有重要國際影響的創(chuàng)新研究成果，掌H2S、CO、NOx、SOx的便攜式聲表握一些空氣中有害物質(zhì)（主要包括 H2S、NOx、SOx、CO、甲醛、苯類等）檢測 與治理的關(guān)鍵技術(shù)。研制出可以檢測甲醛、面波檢測器原型樣機，測量濃度范圍0-1000 PPm，可探測的氣體靈敏度 5 ppm（0.010 g/m3）,響應(yīng)時間小于20 s,實現(xiàn)檢測芯片，同時完成四種氣體的在線檢測。研制出高效安全的TiO

16、2基納米光催化材料及其凈化器，實現(xiàn)上述有毒有害 氣體的高速凈化，其可見光和紫外光光催化效率分別達到目前國際最好水平的2倍以上；凈化系統(tǒng)樣機處理能力達50 m3/m2?i以上，并發(fā)展失活光催化材料的再 生方法。在國內(nèi)建立起一支由中青年優(yōu)秀人才組成的具有國際水平的研究團隊，并發(fā)展成為高水平人才培養(yǎng)的基地。在國際核心學術(shù)期刊發(fā)表研究論文150篇以 上，申請發(fā)明專利40項以上。三、研究方案1、總體研究思路圍繞當前環(huán)境氣體檢測與治理技術(shù)領(lǐng)域中所面臨的高選擇性、檢測與治理 一體化”等關(guān)鍵科學問題和形成自主知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵核心技術(shù)的總體研究目標,結(jié)合主要研究內(nèi)容，本項目的總體研究思路是：（1）緊密結(jié)合社會及產(chǎn)

17、業(yè)的需求、關(guān)注產(chǎn)業(yè)動態(tài)，注意產(chǎn)、學、研相結(jié)合，努力把握好基本檢測、治理原理的創(chuàng)新和應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新的平衡點；（2）考慮到氣體檢測與治理科學與技術(shù)領(lǐng)域的多學科交叉特性，本項目組織了一個包括具有材料制備、納米結(jié)構(gòu)設(shè)計與組裝、 納米材料表面與界面特性、光催化、微加工、器件集成等方面研究背景的研究隊 伍，而且上述不同研究背景的學術(shù)骨干已經(jīng)具有了良好的前期合作基礎(chǔ)和很強的 互補性；（3）檢測與治理原理五花八門、檢測與治理對象種類多種多樣，本項目不可能面面具到，擬在有限目標的前提下，主要針對基于聲表面波和光電原理 的有害物質(zhì)檢測器、基于TiO2光催化技術(shù)的凈化技術(shù)等方面展開研究，針對的 檢測與治理對象主要包括

18、空氣中的 H2S、NOx、SOx、CO、甲醛、苯類等有毒有 害物質(zhì)；（4）檢測與治理研究有機結(jié)合，探索構(gòu)建有毒、有害氣體和細菌的檢 測與凈化一體化系統(tǒng)；（5）在局部取得創(chuàng)新的前提下，實現(xiàn)綜合性創(chuàng)新及技術(shù) 的集成。2、技術(shù)路線項目實施過程中總體技術(shù)路線主要考慮以下幾個方面：（1）本項目擬發(fā)展 的檢測、治理方法和技術(shù)具有很強的多學科交叉特性，涉及到敏感材料合成、納 米結(jié)構(gòu)制備、微加工及器件集成等學科或技術(shù)領(lǐng)域，因此在技術(shù)途徑方面要把握每個技術(shù)步驟的協(xié)調(diào)統(tǒng)一及技術(shù)的相容性；（2）努力在技術(shù)創(chuàng)新與技術(shù)路線的 可行性間找到平衡點，即技術(shù)創(chuàng)新要切合實際，其實施要符合現(xiàn)有實際條件和基 礎(chǔ)、具有良好的技術(shù)平臺

19、；（3）擬定的技術(shù)路線應(yīng)以良好的前期研究基礎(chǔ)為前 提，這樣才能增加其可行性。針對主要研究內(nèi)容，計劃通過以下的研究方法和技 術(shù)途徑來實現(xiàn)預期目標:（1）敏感材料的分子識別與信號響應(yīng)： 設(shè)計合成一些有機或配合物分子，使其在形成分子聚集體時，一種分子間相互作用（氫鍵、弱配位鍵、或金屬金屬相互作用）占主導地位，而且這種作用有很強的一維或二維方向選擇性，容易形成1-2D納米材料，而且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。通過配位鍵或氫鍵相互作用形成帶有孔道 結(jié)構(gòu)的納米材料，使材料具有選擇性吸附特性，而且吸附了特定的分子以后會使 材料的光電或聲學性質(zhì)發(fā)生顯著改變， 具有優(yōu)良的敏感特性。通過金屬金屬間 相互作用構(gòu)筑分子鏈，分子鏈的定向

20、排列就會導致1-D納米晶體的形成。需要強 調(diào)的是，金屬金屬間相互作用不僅可以導致 1-D結(jié)構(gòu)，還可以誘導出特殊的激發(fā)態(tài)，而且這種激發(fā)態(tài)對于其所處的化學環(huán)境非常敏感，當一些特殊的氣體分子 與納米材料發(fā)生作用時會顯著影響材料的發(fā)光性能，從而實現(xiàn)檢測的目的。（2）納/微米復合結(jié)構(gòu)與信號增強及高選擇性： 從自然界敏感體系中找出特征結(jié) 構(gòu)，結(jié)合理論計算，設(shè)計分級多重納米結(jié)構(gòu)，進行敏感納 /微米結(jié)構(gòu)的制備。我 們擬用電子束直寫及干、濕法刻蝕來制作模版，用納米壓印技術(shù)及微接觸打印技 術(shù)來實現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移。擬采取top-down與bottom-up相結(jié)合的路線,即亞微米結(jié)構(gòu) 用直寫或光刻來實現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上結(jié)合分子

21、自組裝來實現(xiàn)納/微米復合多重結(jié)構(gòu)。另一方面，無機/有機復合將是獲得高性能敏感結(jié)構(gòu)和材料的有效途徑。由于納 米結(jié)構(gòu)比表面積的增大，往往具有很高的靈敏度，人們已經(jīng)證明，一些無機納米材料確實具有非常高的靈敏度，將一些具有選擇性識別特性的有機分子修飾到這 些無機納米材料的表面來提高材料的選擇性，從而實現(xiàn)高靈敏度和高選擇性的統(tǒng)（3）敏感膜表面及界面與信號的提取和轉(zhuǎn)換：敏感膜的制備、表面與界面特性 的控制和膜體系與一些基底材料的結(jié)合，是將具有選擇性及響應(yīng)特性的納米材料 和結(jié)構(gòu)應(yīng)用于器件的關(guān)鍵。擬采用 （1）部分制備的有機/高分子材料進行敏感薄 膜的制備，借鑒（2）部分的工作提高膜材料的性能。計劃利用有機半

22、導體檢測 器具有良好的選擇性識別特性及適合發(fā)展室溫工作的優(yōu)點，解決傳統(tǒng)半導體傳感 器選擇性差和工作溫度高的問題。有機半導體傳感器對極性氣體甚至極性很小的 揮發(fā)性物質(zhì)的響應(yīng)峰值不同，表現(xiàn)出豐富的選擇性識別能力，結(jié)合陣列傳感器的 信號處理與指紋識別方法，將成為未來電子鼻的一類核心技術(shù)。為了使敏感膜對 待檢測物質(zhì)具有識別作用及良好的可逆吸附-脫附特性，我們將研究薄膜結(jié)構(gòu)與 制備方法條件的關(guān)系，基底材料對薄膜結(jié)構(gòu)的影響，薄膜結(jié)構(gòu)對器件性能的影響, 以尋求薄膜制備的最佳條件。(4)聲表面波等檢測方法、技術(shù)與器件：利用前面設(shè)計合成的有機敏感材料及無機/有機復合材料進行敏感膜的制備，并進行聲表面波器件的組裝

23、與集成。擬通過對檢測器的建模分析及微觀尺度結(jié)構(gòu)的聲、電、化學等多參量的耦合理論分析,研究不同濃度的目標分子的吸附對聲表面波器件的頻響模式的影響規(guī)律，設(shè)計并研制出穩(wěn)定性好、插入損耗低且靈敏度高的聲表面波氣體檢測芯片。 研究聲表面波檢測器件的新加工技術(shù)，提高器件的生產(chǎn)效率，降低器件制備成本。研究聲表面波傳感系統(tǒng)的整體化加工技術(shù)和陣列化、 復合化、集成化加工技術(shù)，優(yōu)化加工工藝，進一步提高性能和成品率；同時開展加工工藝對氣敏薄膜性能的影響、電極材料制備工藝對器件性能的影響、密集線條的光刻工藝和圖形轉(zhuǎn)移工藝研究。(5)針對有毒、有害氣體光催化凈化體系，以界面及表面微觀過程機制與調(diào)控規(guī)律研究為出發(fā)點，獲得

24、對納米TiO2等氧化物光催化凈化材料光催化反應(yīng)機理和影響光催化效率的關(guān)鍵因素的深入認識， 結(jié)合組成一結(jié)構(gòu)一性能的相互關(guān)系及其調(diào)變規(guī)律,光催化-吸附協(xié)同作用機理，窄帶半導體敏化及光電催化耦合機理的研究結(jié)果,形成根據(jù)材料功能需求設(shè)計納米TiO2等氧化物復合環(huán)境凈化材料的理論方案;采用水熱合成、模板法、溶膠-凝膠、納米自組裝等合成技術(shù)制備出結(jié)構(gòu)匹配、功能協(xié)同、在紫外光和可見光照射下具有高光催化效率的系列納微結(jié)構(gòu)新型納米TiO2等氧化物環(huán)境凈化材料(二維或三維有序納米TiO2等氧化物復合材料、納米TiO2等氧化物-分子篩或活性碳復合材料、以及納米TiO2等氧化物-窄帶半導體復合材料等)；通過多種現(xiàn)代物

25、理化學手段對上述材料的組 成、結(jié)構(gòu)和性能進行詳細表征，并根據(jù)實驗結(jié)果對材料設(shè)計理論模型和制備方法進行修正和優(yōu)化；采用多光束驅(qū)動和光電復合催化等提高光催化材料的凈化效率；最終建立根據(jù)材料功能需求設(shè)計、制備高效光催化復合環(huán)境凈化材料的基礎(chǔ)理論體系。(6)采用物理和材料科學專用軟件，如：基于第一性原理方法的VASP以及Materials Studio等軟件，從原子分子尺度研究摻雜和納米顆粒尺度對半導體材 料(如：TiO2，ZnO)能級能帶的影響、以及能級和能帶的變化對其光學電學性能的影響。用過渡態(tài)理論和分子動力學理論研究材料表面化學反應(yīng)的微觀過程,如CO, NOx,碳氫化合物分子如何在半導體表面發(fā)生

26、氧化還原反應(yīng)。用Gaussian軟件計算氣體分子在表面發(fā)生化學反應(yīng)時， 原子分子的能量和作用力以及分子軌道和電荷密度，為建立定量的氣敏性能規(guī)律模型提供數(shù)據(jù)。 利用含時密度泛函理 論研究光催化過程中的電荷轉(zhuǎn)移行為，對于深入理解和探索光子吸收和電荷轉(zhuǎn)移 過程等提供理論依據(jù)。材料表面的化學反應(yīng)與材料表面的原子擴散緊密相關(guān)。 氣 體分子或原子在材料表面的擴散過程是研究氣固反應(yīng)過程的一個重要問題。（7）通過一系列對比實驗，研究納米材料及元件服役條件下的各種主要影響因 素的獨立作用及交互作用，總結(jié)服役條件下光催化材料、氣敏納米材料的變化規(guī) 律。為了更好地研究環(huán)境濕度與電力負荷交互作用的影響， 我們也將特別

27、采用水 電解的方法進行研究。對于光催化材料，通過改變光子能量、光強、光照時間、 溶液pH值、顆粒大小、溫度等參數(shù)，研究其光腐蝕規(guī)律；通過各種分析方法，研 究典型污染物消除過程中在材料表面的殘留情況，總結(jié)污染物對于TiO2基光催化 材料的影響規(guī)律。通過現(xiàn)代物理和化學的分析方法，研究在再生過程中失活TiO2 基光催化納米材料體相及表面的組成、結(jié)構(gòu)及光催化性能的演化過程和變化規(guī) 律，探索失活TiO2基光催化材料的離線和在線再生方法和途徑。對于氣敏材料， 通過改變常見被檢測氣體的濃度范圍， 加快氣敏材料的失敏與激活研究；對常見 被檢測氣體進行各種組合，研究復雜環(huán)境中氣敏材料可能出現(xiàn)的新的失效模式。（8

28、）采用模壓成型技術(shù)制備納米TiO2復合光催化材料的光催化凈化組件，采用 磁控濺射鍍膜技術(shù)、旋轉(zhuǎn)鍍膜技術(shù)、噴涂技術(shù)和絲網(wǎng)電路印刷技術(shù)，制備可插式 氣相光電復合催化凈化器組件。針對光催化凈化器光子傳輸局限和氣體擴散特 點，根據(jù)流體動力學和電磁介質(zhì)傳輸理論，進行數(shù)值模擬計算，以此為依據(jù)，對光催化凈化器結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計， 進而構(gòu)建有毒、有害氣體和細菌光催化和光電 催化凈化器。3、可行性分析課題承擔單位擁有國內(nèi)最先進的微納加工平臺和工藝、成熟的集成電路平面制造工藝和設(shè)備、百級和千級的超凈間工作環(huán)境、信號處理的集成電路設(shè)計能力，這些為本課題研究工作的順利實施提供了雄厚的強有力的研究平臺。本課題的大部分研究

29、內(nèi)容已進行了前期預研， 在幾個最重要的研究方向上均有自己的創(chuàng)新或特色，并取得了初步成果。比如有機光子晶體、納米結(jié)構(gòu)、基于新材料的高頻聲表面波器件研制、聲表面波氣體檢測器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和模擬、基于聚合物的有機高分子敏感膜以及TiO2光催化材料等方面均有較多積累和進展，這些為本課題任務(wù)的完成打下堅實技術(shù)儲備基礎(chǔ)。(3)課題承擔單位之間的相互緊密合作，而且與國際上相關(guān)領(lǐng)域的研究機構(gòu)有著廣泛的合作和交流，這使我們能及時把握國際上最新的研究動態(tài)的同時，自己內(nèi)部之間也積極互動，使研究工作始終保持在國際前沿水平。另外上述這些單位還與國內(nèi)外許多相關(guān)的研究機構(gòu)及大公司進行密切的、高 水平的合作，比如信息產(chǎn)業(yè)部重慶

30、26所、航天部二院長峰公司等；與本研究領(lǐng)域 的知名學者教授建立了長期良好的合作關(guān)系， 這進一步確保我們能夠及時解決研 究工作中的理論、科學和技術(shù)難題，少走彎路，又能把握國際上最新的研究動態(tài),使我們的研究工作始終能順利進行且能跟蹤國際前沿。因此我們有理由相信，通 過此項目的資助，必將有效提高我國在高端氣體檢測器件領(lǐng)域的整體研發(fā)水平。4、創(chuàng)新點與特色 本項目的主要創(chuàng)新點如下:利用有機分子對目標氣體分子的分子識別特性實現(xiàn)選擇性，利用納/微米復 合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)信號增強即高靈敏度，分子識別和納 /微結(jié)構(gòu)的有效結(jié)合可以有效地 解決靈敏度和選擇性的矛盾，通過表面與界面的優(yōu)化與調(diào)控實現(xiàn)信號的提取、增 強與轉(zhuǎn)化，在

31、上述研究基礎(chǔ)上，進行器件結(jié)構(gòu)及工藝的優(yōu)化，獲得高性能氣體檢 測器件；同時利用納米氧化物光催化材料的化學組成與納微結(jié)構(gòu)調(diào)控和多功能集 成，以及多光束驅(qū)動的氣相光電復合催化實現(xiàn)有毒有害氣體污染物的有效降解;將上述兩個方面結(jié)合在一起，形成檢測與治理的統(tǒng)一系統(tǒng)。本項目的主要特色如下:(1) 敏感-探測機理方面：設(shè)計、構(gòu)筑具有復合周期及多層次納/微結(jié)構(gòu)，并以 此獲得基于光子晶體特性的選擇性識別功能及信號響應(yīng)功能。通過納米結(jié)構(gòu)的有 效調(diào)控實現(xiàn)對目標分子的高選擇性識別特性及增強的光信號響應(yīng)。(2) 材料方面：將有機材料的分子識別特性及納米材料的表面特性結(jié)合起來, 實現(xiàn)具有選擇性響應(yīng)(主要包括聲學、光、電響應(yīng)

32、)特性的有機納米材料的設(shè)計及制備。首先通過分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計實現(xiàn)特異選擇性質(zhì)及信號響應(yīng)功能，其次通過分子間相互作用在納米材料體系中建立一個信號協(xié)同增強的物理通道，另外通過納米材料大比表面積的特性進一步實現(xiàn)響應(yīng)信號的增強。（3）敏感有機納米半導體薄膜方面：通過材料的篩選及膜結(jié)構(gòu)、形貌及表面與 界面的控制方法與制備技術(shù)的優(yōu)化，研制出具有特異選擇吸附的敏感膜材料體 系，不僅選擇吸附性好，還具有高穩(wěn)定性等特點；同時利用有機半導體異質(zhì)結(jié)的 優(yōu)異電學特性，來發(fā)展與其相適應(yīng)的氣體檢測方法。（4）器件結(jié)構(gòu)與工藝方面：在聲表面波檢測功能結(jié)構(gòu)及制備技術(shù)方面進行創(chuàng)新 性研究，采用集成電路中的平面工藝制作研制出靈敏度高、

33、 有效檢測范圍線性好、 易于與計算機接口組成自適應(yīng)實時處理系統(tǒng)； 實現(xiàn)單片多功能、高選擇性、集成 化、智能化聲表面波氣體檢測器件。將展開基礎(chǔ)理論、設(shè)計方法、制備技術(shù)和信 號處理等方面的研究，使檢測器件的芯片的檢測性能達到最佳。（5）基于納米氧化物材料的有毒、有害氣體及細菌檢測和治理一體化系統(tǒng): 前，對建筑物內(nèi)及行業(yè)空氣污染檢測和治理是沿著兩條獨立的路線展開的，即:分別采用相關(guān)儀器測量污染物和采用包括光催化技術(shù)在內(nèi)的污染物降解。本研究針對環(huán)境污染治理中檢測與治理相結(jié)合的緊迫需求，以納米TiO2復合光催化材料作為主要的污染氣體和細菌凈化材料，采用光催化技術(shù)并結(jié)合新型檢測技術(shù)， 發(fā)展高效率的有毒、有

34、害氣體檢測與治理一體化系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有連續(xù)、實時、 實地監(jiān)控并治理，且高效、節(jié)能、成本低等特點。5、課題設(shè)置圍繞前面提出的關(guān)鍵科學問題、主要研究內(nèi)容及預期目標，本項目擬設(shè)五個研究課題；課題設(shè)置的總體思路是: 究，最后實現(xiàn)器件的集成。課題1從敏感納米材料和結(jié)構(gòu)入手，展開一系列研（基于納/微米材料與結(jié)構(gòu)的分子識別、高選擇性及信號增強）主要側(cè)重敏感材料和結(jié)構(gòu)的研究， 是本項目的基礎(chǔ)。通過這個課 題的研究，將會獲得一些對有害氣體分子具有高選擇性和高靈敏度的納米材料和 結(jié)構(gòu)（包括有機材料和無機/有機復合材料），在此基礎(chǔ)上進行納米敏感薄膜表面與界面特性的研究（課題3）。敏感膜材料是檢測器件的核心和關(guān)鍵，其

35、對器件 的性能具有決定性作用，通過敏感膜材料的研究（包括膜材料制備、特性及其與 器件基底材料的結(jié)合等）將促進和實現(xiàn)從材料到器件的飛躍，同時會獲得一些原 型器件（主要包括聲表面波、半導體、光學器件）。課題3的研究將會獲得一些 性能優(yōu)良的敏感膜材料體系，利用這些材料體系將進行檢測器件的設(shè)計、優(yōu)化及 集成（課題3）,形成一個具有優(yōu)良性能的氣體檢測器件。在實現(xiàn)高性能檢測的 基礎(chǔ)上進行有害物質(zhì)治理的研究（課題4和5）,在污染物治理研究中，將催化 降解材料與器件的研究（課題4）和空氣凈化機理與使役行為（課題5）相結(jié)合進行研究，力爭在治理原理和機制上有所突破?？傮w來講，1-5課題檢測與治理 密切結(jié)合，探索根

36、治氣體污染的新方法和新技術(shù)。五個研究課題介紹如下:課題1:基于納/微米材料與結(jié)構(gòu)的分子識別、高選擇性及信號增強 研究內(nèi)容:研究敏感材料與目標分子（H2S、NOx、SOx、COx、甲醛、苯及其衍生物等） 的分子間非共價鍵的作用性質(zhì)，優(yōu)化敏感材料分子上能夠與目標分子發(fā)生相互作 用的基團，獲得具有識別特性的材料。結(jié)合器件制備工藝，研究敏感材料（包括 膜材料）與器件加工工藝的統(tǒng)一方法和技術(shù)條件，實現(xiàn)材料制備和器件加工一體 化。研究通過多種材料的優(yōu)化組合，并形成陣列型敏感器件的方法，探索多通道、 高選擇性的有效途徑。將化學傳感和光子晶體原理結(jié)合起來進行基于光子原理的高選擇性和高靈 敏度環(huán)境檢測方法和技術(shù)

37、的研究。 擬從自然界氣體敏感體系中找出特征結(jié)構(gòu)，結(jié) 合理論計算，為設(shè)計分級多重納米結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。計劃用電子束直寫及干、濕法 刻蝕來制作模版，用納米壓印技術(shù)及微接觸打印技術(shù)來實現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移，并在此基 礎(chǔ)上結(jié)合分子/微粒自組裝來實現(xiàn)納/微米復合多重結(jié)構(gòu)。研究一些無機納米敏感結(jié)構(gòu)和材料體系同具有選擇性識別特性有機分子的復合，通過結(jié)構(gòu)復合與功能復 合，實現(xiàn)選擇性前提下的高靈敏度。預期目標:（1）理解敏感材料與目標物質(zhì)的分子識別特性的原理和規(guī)律，形成一些敏感 材料的分子設(shè)計合成方法和路線，設(shè)計合成出一些具有選擇性識別特性， 同時產(chǎn) 生信號響應(yīng)的材料；（2）理解多重納/微米復合結(jié)構(gòu)對不同目標物質(zhì)的響應(yīng)機理

38、并在此基礎(chǔ)上提出具有高選擇性識別特性的納 /微米結(jié)構(gòu)的設(shè)計及制備方案，獲 得一些對有害氣體分子具有選擇性識別特性的納 /微米復合結(jié)構(gòu)。承擔單位：吉林大學 課題負責人：遲力峰教授 經(jīng)費比例：25%課題2:納米敏感薄膜表面與界面特性的研究 研究內(nèi)容：研究適合納米厚度薄膜制備的有機半導體分子的設(shè)計與合成，開發(fā)新型有機 半導體材料，滿足高遷移率和高電導率有機半導體薄膜對分子結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的 要求。研究金屬氧化物及復合敏感膜的納微結(jié)構(gòu)，探討合成溫度、濕度、溶劑類 型、模板劑類型和濃度對氣敏材料結(jié)構(gòu)及性能影響規(guī)律。研究敏感膜表面特性及 界面特性對敏感膜性能的影響，包括：表面結(jié)構(gòu)表征、表面結(jié)構(gòu)與被測氣體間的

39、 相互作用（吸附與離解）、上述作用與宏觀電信號特征間的關(guān)系等；研究敏感膜 與襯底（基板）的界面結(jié)合狀態(tài)、敏感膜與測量電極的界面結(jié)合狀態(tài)，以及對敏 感元件性能的影響。研究敏感薄膜厚度、薄膜表面圖案的尺度和類型對器件選擇 性的影響，發(fā)展高選擇性室溫工作器件。氣敏元件與氣敏元件陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計、制 備方法和性能優(yōu)化。預期目標:（1）解決納米尺度新型有機半導體氣體傳感器相關(guān)的器件結(jié)構(gòu)、薄膜、材 料等關(guān)鍵問題，研究新材料、新結(jié)構(gòu)、新機理的有機半導體器件，提出并制備 23種適于氣體傳感的新型有機半導體器件；（2）揭示氣敏元件及陣列在服役 條件下微結(jié)構(gòu)和使用性能的演化規(guī)律， 建立可靠性評價方法，發(fā)展納米復合結(jié)構(gòu)

40、 氣敏元件及陣列的優(yōu)化設(shè)計方法和材料-器件一體化制備技術(shù)。承擔單位：中國科學院長春應(yīng)用化學研究所 課題負責人：閆東航研究員 經(jīng)費比例：21.25%課題3:聲表面波氣體檢測方法與技術(shù)的研究 研究內(nèi)容：本課題擬從研制可同時多通道檢測甲醛、H2S、CO、NOx、SOx等有毒有害 氣體的聲表面波氣體檢測器件原理性樣機出發(fā)，系統(tǒng)地研究探測機理、有機納米材料和結(jié)構(gòu)對檢測性能的影響、器件集成以及模式識別方法等方面的科學及技術(shù) 問題。系統(tǒng)地解決在研制過程中所遇到的選擇性、穩(wěn)定性、復雜性、工藝兼容性 等多方面問題。研究機電耦合系數(shù)高、能量損失少、傳播損耗小、溫度系數(shù)小、 高增益值（高Q1）的新材料體系的聲表面波

41、器件；研究綜合性能優(yōu)化設(shè)計的聲表面波器件；研究不同濃度的氣體吸附對聲表面波器件的頻響模式的影響規(guī)律；設(shè) 計并研制出穩(wěn)定性好、插入損耗低且靈敏度高的聲表面波檢測器芯片。 研究微電 子平面工藝、有機納米材料與結(jié)構(gòu)的制備工藝。通過模式識別技術(shù)和方法探索陣 列化聲表面波氣體檢測器的實現(xiàn)方法及其集成技術(shù)。預期目標:解決聲表面波氣體檢測器中的器件結(jié)構(gòu)、新材料、耦合傳感機理等關(guān)鍵問 題；研究新材料、新結(jié)構(gòu)、選擇性識別、高靈敏度、多種氣體識別的聲表面波氣 體檢測芯片；并研制出可檢測甲醛、 HS、CO NQ、SO等氣體的原理樣機。 承擔單位：中國科學院微電子研究所課題負責人：劉鍵研究員經(jīng)費比例：18.75% 課

42、題4： TiO2基納米光催化材料及器件的制備與性能優(yōu)化研究內(nèi)容：研究具有核/殼結(jié)構(gòu)和線纜結(jié)構(gòu)的窄帶半導體/納米TiO2等氧化物的新型可 見光響應(yīng)光催化材料的制備及性能、多功能集成復合光催化材料的微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控 及性能優(yōu)化。 三維有序大孔光催化材料薄膜的制備、性能研究及調(diào)控。氣相條 件下的納米TiO2復合光催化材料的光電復合催化。依據(jù)在液相條件下二電極或 三電極模式的光電復合催化原理，研究氣相光催化的電極設(shè)計原理和方法， 構(gòu)建 氣相光電復合催化凈化器組件；研究在氣相光電催化作用下光生載流子的傳輸機 理和反應(yīng)物的反應(yīng)模式；研究外加電場及多光束驅(qū)動對光催化活性的影響規(guī)律及 其物理與化學機制，探索提高光

43、催化效率的新途徑和方法。光催化和光電催化凈 化器設(shè)計。預期目標:解決納米TiO2等氧化物光催化凈化材料高效化的物理與化學機制問題；發(fā)展基于化學組成和微結(jié)構(gòu)調(diào)控的光催化凈化材料的制備科學和方法；研制出高效 安全的光催化材料及其凈化器，其可見光和紫外光光催化效率分別達到目前國際 最好水平的2倍以上；凈化系統(tǒng)樣機處理能力為 50 m3/m2h，建筑物內(nèi)主要污染 物含量達到室內(nèi)空氣國家質(zhì)量標準。承擔單位：武漢理工大學;課題負責人：李遠志教授 經(jīng)費比例：18.75% 課題5:光催化材料的空氣凈化機理與使役行為研究內(nèi)容：研究TiO2基光催化材料研究光催化材料的體相及界面組成和結(jié)構(gòu)對光吸 收帶邊、吸收強度、

44、光生電子和空穴復合、界面電荷的傳遞和俘獲等的影響;從原子-分子-納米等空間尺度，采用多種物理化學方法，并采用第一性原 理、分子動力學和過渡態(tài)理論等方法進行理論計算與模擬，研究典型有毒、 有害氣體污染分子在TiO2基光催化材料表面的紫外及可見光催化機理及其動 力學過程。TiO2基光催化材料的失效規(guī)律、時間效應(yīng)、可靠性及再生條件的 研究。探索使役條件下TiO2基光催化材料的失效機理，總結(jié)使役條件下常見的失效模式。研發(fā)一種可行的光催化材料使用壽命表征方法。探索TiO2基光 催化材料再生方法。預期目標:通過對納米氧化物空氣污染凈化材料的界面微觀過程、結(jié)構(gòu)調(diào)控原理、紫外及可見光催化反應(yīng)機理、構(gòu)效關(guān)系、失

45、效機理等系統(tǒng)研究，解決納米TiO2基光 催化材料高效化、長效化和再生的物理與化學機制問題。承擔單位：華中科技大學 課題負責人：潘春旭教授 經(jīng)費比例：16.25%/'研究內(nèi)容預期目標四、年度計劃1、設(shè)計合成對于 H2S、NOx、SOx、 COx、甲醛、苯及其衍生物等具有選 擇性識別的有機、有機/無機復合及 氧化物納米敏感材料。研究具有識別 及響應(yīng)特性的半導體材料，探索建立 在咼遷移率基礎(chǔ)上的有機敏感膜材 料體系。研究基于層狀組裝技術(shù)構(gòu)筑 具有傳感功能的多層膜方法。研究有 機敏感材料的分子或分子聚集體同 目標分子的相互作用特性及基于相互作用導致的識別及響應(yīng)特性（主要 包括聲、光電響應(yīng)特性）

46、?？疾焖?備的納米材料對于H2S、NOx、SOx、 COx、甲醛、苯及其衍生物等的傳感 特性，為材料的優(yōu)化提供依據(jù)。建立 面波器件的多層膜的耦合模分析模 型，對檢測器件各個結(jié)構(gòu)參數(shù)進行模 擬計算和優(yōu)化，完成敏感薄膜評測系 統(tǒng)的搭建，進行聲表面波器件的試 制；選擇上述制備的材料作為器件的 敏感膜材料，并進行初步的檢測性能 分析，在此基礎(chǔ)上對材料的設(shè)計與合 成提出改進方案。2、研究具有可見光敏感的窄帶半導 體/納米TiO2等氧化物的新型納米復 合結(jié)構(gòu)光催化材料、光生載流子轉(zhuǎn)移 機理、窄帶半導體的穩(wěn)定機制及其對 有毒、有害氣體和細菌可見光催化凈 化性能的影響因素；構(gòu)建組成、結(jié)構(gòu) 與光催化反應(yīng)性能之

47、間的關(guān)系。應(yīng)用 高分辨表面分析技術(shù)及微結(jié)構(gòu)表征 手段，研究系列TiO2基光催化材料 與氣體分子的界面物理化學作用；考 察體相及界面組成和結(jié)構(gòu)對物理化學性能的影響；基于第一性原理方 法，研究摻雜對TiO2材料能級能帶 的影響及其對其光學電學性能的影 響；連續(xù)測試條件下TiO2基光催化 材料的活性變化規(guī)律。1、完成敏感材料的設(shè)計與初步篩選 工作，獲得一些傳感性能較好的材 料，并完成敏感膜的制備，進行初步 的傳感性能研究。發(fā)展出敏感膜納微 結(jié)構(gòu)的調(diào)控方法，闡明氣敏膜納米復 合結(jié)構(gòu)的形成機制和敏感膜微觀結(jié) 構(gòu)對性能的影響規(guī)律。設(shè)計合成出 8-10種具有敏感特性的有機化或有 機/無機復合材料，這些材料具

48、有形 成有機納米材料或有機/無機復合納 米材料的特性。初步完成對敏感膜材 的篩選，并對其性能進行系統(tǒng)評價。 完成聲表面波器件的設(shè)計，探索出最 佳的聲表面波傳感器的工藝條件。2、發(fā)展計制備可見光響應(yīng)納米TiO2 等氧化物復合光催化材料的原理和 方法；研制出高效安全的可見光響應(yīng) 光催化凈化材料，其可見光催化效率 達到目前國際最好水平的2倍以上； 探索新型納米TiO2基復合環(huán)境凈化 材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能間的關(guān)聯(lián)規(guī) 律；為新型功能納米氧化物材料的設(shè) 計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其應(yīng)用提供指導和依 據(jù)。3、本年度預計可完成SCI研究論文 30-40篇（影響因子3以上）。申請 發(fā)明專8-10項。1、設(shè)計合成基于分子識

49、別原理的敏 感材料，研究敏感材料形成的超分子 體系與目標分子的非共價相互作用 特性，探索通過超分子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化實 現(xiàn)選擇性識別的有效途徑。利用光子 晶體原理和方法進行氣體敏感納/微 米結(jié)構(gòu)的研究，將納/微米復合結(jié)構(gòu) 與光子晶體原理的有效結(jié)合，探索新 型氣體檢測方法和技術(shù)。研究半導體 氧化物納米復合結(jié)構(gòu)氣體敏感膜的 氣體敏感特性和微結(jié)構(gòu)對氣體敏感特性的影響規(guī)律。研究有機/有機、 有機/無機、有機/金屬等等各種界面 特性，探索通過優(yōu)化界面特性來提高 敏感膜材料體系性能的方法，為檢測 器件的設(shè)計與制備提供依據(jù)。探索聲 表面波器件和化學吸附膜的工藝兼 容性問題，完善氣體檢測器件的提參 建模，優(yōu)化器件的設(shè)

50、計與制作，通過 系統(tǒng)實驗確定聲表面波器件的工藝 參數(shù)，研究獲得高均勻性氣體傳感器 材料的工藝，提出原理樣機的方案設(shè) 計。2、研究具吸附/光活性雙重功能的新 型納米TiO2復合結(jié)構(gòu)光催化材料的 制備、構(gòu)效關(guān)系、氣體分子轉(zhuǎn)移機理 及其光催化降解有毒、有害氣體性能 研究；研究其摻雜改性方法，使其具 有大吸附容量，高催化活性和可見光 敏感等多功能。研究光催化材料氣相 光催化的動力學過程，包括電子施體 及受體在催化劑表面的預先吸附、光 生電子的產(chǎn)生和擴散、界面電荷的傳 遞和俘獲、氣體污染物的氧化及產(chǎn)物 脫附等，考察催化材料的化學和物理 結(jié)構(gòu)、環(huán)境因素對不同氣體污染物的 催化性能的影響；研究納米尺度對 T

51、iO2材料能級能帶的影響、以及能 級和能帶的變化對其光學電學性能的影響；探索失活TiO2基光催化材 料的再生途徑。1通過對材料分子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，提 高材料的傳感性能；利用機納米或有 機/無機復合納米結(jié)構(gòu)使材料的選擇 性和靈敏度得到改善，并闡明其工作 機制；獲得制備穩(wěn)定敏感薄膜的方 法;設(shè)計制備出具有特性光學或電學 性質(zhì)的納/微米結(jié)構(gòu)，并考察其氣體 響應(yīng)特性；完成聲表面波器件的設(shè) 計，探索新型鍍膜方法，完成敏感薄 膜材料的設(shè)計，確定制備工藝，完成 原理樣機的方案論證報告。2、闡明納米TiO2等氧化物的高光催 化活性和吸附材料的大吸附容量功 能耦合規(guī)律和調(diào)控原理；揭示納米結(jié) 構(gòu)氧化物復合光催化材料的

52、結(jié)構(gòu)與 吸附性能、光催化性能之間的內(nèi)在規(guī) 律。發(fā)展多功能集成高效光催化復合 光催化凈化材料的制備科學和方法； 研制出具有多功能集成的光催化凈 化材料，其紫外光催化效率達到目前 國際最好水平的2倍以上；揭示發(fā)生 在界面的分子物理化學過程的微觀 作用機制及調(diào)控規(guī)律，探索納米結(jié)構(gòu) TiO2復合光催化材料的結(jié)構(gòu)與吸附 性能、紫外及可見光催化性能和催化 反應(yīng)機理間的內(nèi)在規(guī)律3、本年度預計可完成SCI研究論文 30-40篇（影響因子3以上）。申請 發(fā)明專利10-12項。1、在前兩年的研究工作基礎(chǔ)上，本 年度研究的主要內(nèi)容是選擇性和靈 敏度協(xié)同提高的問題。利用一些靈敏 度很高的無機納米氣體傳感材料體 系與一

53、些選擇性良好的有機材料體 系合理復合，發(fā)展高選擇性、高靈敏 度、高穩(wěn)定性的敏感材料體系。利用 一些已具有的納米組裝的方法和技術(shù)（包括 top-down 和 bottom-up 途 徑）來進行具有光響應(yīng)敏感特性的納 /微米結(jié)構(gòu)的研究。研究有機薄膜表 面形成微納尺度關(guān)聯(lián)圖案的新制備 方法，研究敏感膜表面特性及界面特 性對敏感膜性能的影響。研究敏感膜 與襯底的界面結(jié)合狀態(tài)、敏感膜與測 量電極的界面結(jié)合狀態(tài)，以及對敏感 性能的影響。研究聲表面波傳感器的 工藝兼容性、批量一致性、可靠性等 問題，解決聲表面波器件和薄膜材料 的耦合難題，并進行理樣機的初樣試 制。2、研究三維有序大孔納米結(jié)構(gòu)Ti02 基光催

54、化材料的制備及形貌調(diào)控方 法及其對光子晶體帶隙、光學性能和 光催化性能的影響規(guī)律；利用光子晶 體的帶邊對光催化活性增強原理， 究三維有序大孔光催化能提高光俘 獲效率，強化光與物質(zhì)相互作用， 而提高光催化性能的原理及機制。 續(xù)開展上述催化機理的實驗研究。 過渡態(tài)理論和分子動力學理論研究 材料表面化學反應(yīng)的微觀過程，進 步用經(jīng)典勢能的分子動力學和過渡 態(tài)方法研究這類界面擴散問題。研究 納米材料使役條件下的各種主要影 響因素的獨立作用及交互作用。1、篩選出5-8種選擇性及靈敏度均 良好的材料，對其傳感性能進行評 價，并提出材料的改進方案。以上述 材料為基礎(chǔ)，優(yōu)化具有特性光學或電 學性質(zhì)的納/微米結(jié)構(gòu)，提高傳感性 能。提出提高器件選擇性的器件結(jié)構(gòu) 和制備方法，探索納米結(jié)構(gòu)復合敏感 膜的結(jié)構(gòu)與吸附性能、氣體敏感性能 間的內(nèi)在規(guī)律。形成一整套適于批生 產(chǎn)的聲表面波傳感器