Als wichtigste Festkörper-Gassensoren werden Nano-Metalloxid-Halbleiter-Gassensoren aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit, niedrigen Herstellungskosten und einfachen Signalmessung häufig in der industriellen Produktion, Umweltüberwachung, im Gesundheitswesen und anderen Bereichen eingesetzt.Derzeit konzentriert sich die Forschung zur Verbesserung der Gassensoreigenschaften von Nano-Metalloxid-Sensormaterialien hauptsächlich auf die Entwicklung nanoskaliger Metalloxide, wie z. B. Nanostruktur- und Dotierungsmodifikation.

Nano-Metalloxid-Halbleiter-Sensormaterialien sind hauptsächlich SnO2, ZnO, Fe2O3, VO2, In2O3, WO3, TiO2 usw. Die Sensorkomponenten sind immer noch die am weitesten verbreiteten Widerstandsgassensoren, auch nicht-resistive Gassensoren werden schneller entwickelt.

Derzeit liegt die Hauptforschungsrichtung darin, strukturierte Nanomaterialien mit großer spezifischer Oberfläche wie Nanoröhren, Nanostab-Arrays, nanoporöse Membranen usw. herzustellen, um die Gasadsorptionskapazität und die Gasdiffusionsrate zu erhöhen und so die Empfindlichkeit und Reaktionsgeschwindigkeit zu verbessern zu Gas der Materialien.Durch die elementare Dotierung des Metalloxids oder den Aufbau des Nanokompositsystems können die eingeführten Dotierstoffe oder Verbundkomponenten eine katalytische Rolle spielen und auch als Hilfsträger für den Aufbau der Nanostruktur dienen, wodurch die Gesamtleistung der Gaserkennung des Sensors verbessert wird Materialien.

1. Verwendete Gassensormaterialien Nano-Zinnoxid (SnO2)

Zinnoxid (SnO2) ist eine Art allgemein empfindliches gasempfindliches Material.Es weist eine gute Empfindlichkeit gegenüber Gasen wie Ethanol, H2S und CO auf. Die Gasempfindlichkeit hängt von der Partikelgröße und der spezifischen Oberfläche ab.Die Kontrolle der Größe von SnO2-Nanopulver ist der Schlüssel zur Verbesserung der Gasempfindlichkeit.

Basierend auf mesoporösen und makroporösen Nano-Zinnoxidpulvern stellten die Forscher Dickschichtsensoren her, die eine höhere katalytische Aktivität für die CO-Oxidation aufweisen, was eine höhere Gassensoraktivität bedeutet.Darüber hinaus ist die nanoporöse Struktur aufgrund ihrer großen SSA, reichhaltigen Gasdiffusions- und Stofftransferkanäle zu einem Hotspot bei der Entwicklung von Gassensormaterialien geworden.

2. Verwendete Gassensormaterialien: Nano-Eisenoxid (Fe2O3)

Eisenoxid (Fe2O3)hat zwei Kristallformen: Alpha und Gamma, die beide als Gassensormaterialien verwendet werden können, ihre Gassensoreigenschaften weisen jedoch große Unterschiede auf.α-Fe2O3 gehört zur Korundstruktur, deren physikalische Eigenschaften stabil sind.Sein Gaserkennungsmechanismus ist oberflächengesteuert und seine Empfindlichkeit ist gering.γ-Fe2O3 gehört zur Spinellstruktur und ist metastabil.Sein Gaserkennungsmechanismus dient hauptsächlich der Kontrolle des Körperwiderstands. Er hat eine gute Empfindlichkeit, aber eine schlechte Stabilität und lässt sich leicht auf α-Fe2O3 umstellen und die Gasempfindlichkeit verringern.

Die aktuelle Forschung konzentriert sich auf die Optimierung der Synthesebedingungen zur Steuerung der Morphologie von Fe2O3-Nanopartikeln und das anschließende Screening nach geeigneten gasempfindlichen Materialien wie α-Fe2O3-Nanostrahlen, porösen α-Fe2O3-Nanostäben, monodispersen α-Fe2O3-Nanostrukturen und Mesoporen α-Fe2O3 Nanomaterialien usw.

3. Verwendete Gassensormaterialien Nano-Zinkoxid (ZnO)
Zinkoxid (ZnO)ist ein typisches oberflächengesteuertes gasempfindliches Material.Der auf ZnO basierende Gassensor hat eine hohe Betriebstemperatur und eine schlechte Selektivität, weshalb er weit weniger verbreitet ist als SnO2- und Fe2O3-Nanopulver.Daher liegt der Schwerpunkt der Forschung zu Nano-ZnO-Gassensormaterialien auf der Herstellung neuer Strukturen von ZnO-Nanomaterialien und der Dotierungsmodifikation von Nano-ZnO zur Senkung der Betriebstemperatur und zur Verbesserung der Selektivität.

Derzeit ist die Entwicklung von Einkristall-Nano-ZnO-Gassensorelementen eine der Pionierrichtungen, beispielsweise von ZnO-Einkristall-Nanostab-Gassensoren.

4. Verwendete Gassensormaterialien: Nano-Indiumoxid (In2O3)
Indiumoxid (In2O3)ist ein aufstrebendes Halbleiter-Gassensormaterial vom n-Typ.Im Vergleich zu SnO2, ZnO, Fe2O3 usw. weist es eine große Bandlücke, einen geringen spezifischen Widerstand und eine hohe katalytische Aktivität sowie eine hohe Empfindlichkeit gegenüber CO und NO2 auf.Poröse Nanomaterialien, repräsentiert durch Nano-In2O3, sind einer der aktuellen Forschungsschwerpunkte.Die Forscher synthetisierten geordnete mesoporöse In2O3-Materialien mittels mesoporöser Silica-Templatreplikation.Die erhaltenen Materialien weisen eine gute Stabilität im Bereich von 450–650 °C auf und eignen sich daher für Gassensoren mit höheren Betriebstemperaturen.Sie reagieren empfindlich auf Methan und können zur konzentrationsbezogenen Explosionsüberwachung eingesetzt werden.

5. Verwendete Gassensormaterialien Nano-Wolframoxid (WO3)
WO3-Nanopartikelist ein Übergangsmetallverbindungshalbleitermaterial, das aufgrund seiner guten Gaserkennungseigenschaften umfassend untersucht und angewendet wurde.Nano WO3 weist stabile Strukturen wie triklin, monoklin und orthorhombisch auf.Die Forscher stellten WO3-Nanopartikel durch das Nanogussverfahren unter Verwendung von mesoporösem SiO2 als Vorlage her.Es wurde festgestellt, dass die monoklinen WO3-Nanopartikel mit einer durchschnittlichen Größe von 5 nm eine bessere Gaserkennungsleistung aufweisen und die durch elektrophoretische Abscheidung von WO3-Nanopartikeln erhaltenen Sensorpaare bei niedrigen NO2-Konzentrationen eine hohe Reaktion zeigen.

Die homogene Verteilung von WO3-Nanoclustern mit hexagonaler Phase wurde durch ein Ionenaustausch-Hydrothermalverfahren synthetisiert.Die Ergebnisse des Gasempfindlichkeitstests zeigen, dass der WO3-Nanocluster-Gassensor eine niedrige Betriebstemperatur, eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Aceton und Trimethylamin und eine ideale Reaktionserholungszeit aufweist, was auf gute Anwendungsaussichten des Materials hinweist.

6. Verwendete Gassensormaterialien Nano-Titandioxid (TiO2)
Titandioxid (TiO2)Gassensormaterialien zeichnen sich durch eine gute thermische Stabilität und einen einfachen Herstellungsprozess aus und sind nach und nach zu einem weiteren wichtigen Material für Forscher geworden.Derzeit konzentriert sich die Forschung zu Nano-TiO2-Gassensoren auf die Nanostruktur und Funktionalisierung von TiO2-Sensormaterialien durch den Einsatz neuer Nanotechnologie.Beispielsweise haben Forscher mithilfe der koaxialen Elektrospinning-Technologie hohle TiO2-Fasern im Mikro-Nano-Maßstab hergestellt.Mithilfe der Technologie der vorgemischten stehenden Flamme wird die Kreuzelektrode wiederholt in eine vorgemischte stehende Flamme mit Titantetraisopropoxid als Vorläufer gelegt und dann direkt gezüchtet, um eine poröse Membran mit TiO2-Nanopartikeln zu bilden, die empfindlich auf CO reagiert. Gleichzeitig wächst das geordnete TiO2 Nanoröhren-Array durch Anodisierung und wendet es zur Detektion von SO2 an.

7. Nanooxid-Verbundwerkstoffe für Gassensormaterialien
Die Gassensoreigenschaften von Nanometalloxidpulver-Sensormaterialien können durch Dotierung verbessert werden, wodurch nicht nur die elektrische Leitfähigkeit des Materials angepasst, sondern auch die Stabilität und Selektivität verbessert werden.Die Dotierung von Edelmetallelementen ist eine gängige Methode, und Elemente wie Au und Ag werden häufig als Dotierstoffe verwendet, um die Gaserkennungsleistung von Nano-Zinkoxidpulver zu verbessern.Nanooxid-Komposit-Gassensormaterialien umfassen hauptsächlich Pd-dotiertes SnO2, Pt-dotiertes γ-Fe2O3 und mit mehreren Elementen versetztes In2O3-Hohlkugel-Sensormaterial, das durch Steuerung von Additiven und Temperaturmessung realisiert werden kann, um eine elektive Erkennung von NH3, H2S und CO zu ermöglichen Darüber hinaus wird der WO3-Nanofilm mit einer V2O5-Schicht modifiziert, um die poröse Oberflächenstruktur des WO3-Films zu verbessern und dadurch seine Empfindlichkeit gegenüber NO2 zu verbessern.

Derzeit sind Graphen/Nanometalloxid-Verbundwerkstoffe zu einem Hotspot für Gassensormaterialien geworden.Graphen/SnO2-Nanokomposite werden häufig als Ammoniak-Nachweis- und NO2-Sensormaterialien verwendet.