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1、/项目名称：纳米材料与结构在环境气体污染物检测与治理中的应用基础研究首席科学家：赵修建 武汉理工大学起止年限：2009.1至2013.8依托部门：教育部一、研究内容本项目关键科学问题：如何使纳/微米材料及结构对目标分子或物质具有特异选择性识别性能？如何实现纳米光催化材料对有毒有害气体分子的高效率、大容量吸附及有效降解？上述关键科学问题可以分解为以下五个层次或角度来解决：（1）构成敏感材料体系的分子或超分子体系与目标分子的相互作用性质与识别特性的关系、敏感材料设计合成策略：什么样的分子结构或超分子聚集体结构能选择性地与目标分子发生相互作用，同时在物理或化学信号上有响应？决定上述相互作用的关键分子
2、结构或超分子结构因素是什么？如何有效构筑所需要的分子或超分子结构？如何找到并利用分子结构、超分子结构与纳/微米结构的协同作用提高选择性的有效方法和途径？（2）有机纳/微米结构导致的选择性及灵敏度增强机理和方法：什么样的纳/微米结构对特定的目标分子具有识别特性，并能诱导纳/微米结构物理特性（包括声学、光学、电学特性）的改变？导致这种信号增强及识别特性的原理和关键结构特征是什么？如何设计和制备具有选择性识别特性的结构？（3）识别诱导的信号转换、提取、增强、及检测方法和技术：在解决了上述两个问题基础上，如何实现有机纳/微米敏感材料、结构与一些器件基底材料（主要是无机压电材料、半导体材料）的兼容和耦合
3、？器件形成过程中表面与界面的处理方法和技术？如何通过有效电子学方法实现响应信号的转换、提取、增强、及检测？（4）纳米氧化物材料的结构特性与对有毒有害分子的吸附与催化降解的关系：阐明光催化材料与气体分子作用的物理化学行为及其对结构和性能的影响；揭示复合材料体相、界面和表面的化学组成和结构对材料的响应性能、表面物理和化学吸附性能，以及对净化性能的影响机理和规律，阐明纳米氧化物污染检测与净化材料的组成结构性能三者间的相互关系。（5）纳米光催化材料的空气净化机理与使役行为：认识服役环境下光催化材料与气体分子的作用机理以及光催化材料的组成、结构演化机制及其对性能的影响规律；揭示纳米氧化物净化材料的可恢复
4、性失效，即失活，以及其再生机制是提高净化材料的可靠性水平的重要途径。本项目的主要研究内容：围绕上述关键科学问题，本项目拟开展的主要研究内容包括以下六个部分：（一）纳米材料与结构对气体分子的响应与信号增强1、敏感材料的分子识别与信号响应从性能的角度来看,空气中有害污染物检测技术需要解决的主要问题仍然是提高选择性、改善灵敏度和增强稳定性，为了解决这些问题，我们拟从敏感材料的分子结构设计入手，通过分子结构设计首先使构成敏感材料的分子或超分子体系对目标分子（如H2S、NOx、SOx、CO、甲醛、苯类等）具有选择性识别特性。在此基础上研究由于识别作用导致的信号响应性质，即识别的同时要感应出一些能够容易检
5、测的物理量（如声波、光或电信号）。在设计合成敏感材料时不但要考虑其识别特性，还要考虑分子要具有特殊的光、电和声学性质，而且这些性质对目标分子具有响应特性，即当目标分子被识别后，会使敏感材料的光、电或声学性能发生明显变化，给出容易检测信号。2、纳/微米复合结构（包括有机/无机复合）与信号增强及高选择性在解决了材料的识别与响应性能的基础上，拟进一步开展的研究是提高材料的检测灵敏度。我们拟通过将敏感材料制备成具有纳米结构特性的材料来实现高的灵敏度。另外，利用已有的高灵敏度无机纳米结构和材料，通过适当的有机修饰制备无机/有机复合材料来获得高灵敏度、高选择性敏感材料也将是重要研究内容。拟将化学传感和光子
6、晶体原理结合，研究探讨基于此原理高选择性和高灵敏度环境检测的方法和技术。我们拟通过一些纳/微米结构的优化来研究纳/微米结构诱导的选择性识别机理、发展基于光子晶体原理的高选择性检测方法，以期能够替代一些比较复杂的阵列检测器件。3、敏感膜表面及界面与信号的提取和转换检测器件的核心是敏感膜，因此敏感膜特性的研究对于检测器件的性能有重要意义。在前两个研究部分的基础上，本部分的研究重点是敏感膜材料体系的研究，这部分研究实际上在进行从材料到检测器件间的跨越。为了适合有机纳米器件的信号耦合等功能，首先需要研究有机与有机界面、有机与无机界面、有机与电极界面以及有机/无机/金属三者交汇等各种界面形式，建立调控有
7、机纳米薄膜形态结构的新方法。在此基础上研究纳米尺度有机敏感薄膜与无机压电晶体或支撑衬底之间的接触和耦合。对具有特异性、选择性吸附的有机敏感吸薄膜及有机纳米结构进行研究，并将其与声表面波、光子微结构及电学器件相结合，使感应信号被提取和转换，以达到检测目的。（二）纳米TiO2基光催化材料的微结构形成规律、构效关系与性能高效化1、新型可见光响应光催化材料的制备及性能研究通过设计具有核/壳结构和线缆结构的窄带半导体/纳米TiO2等氧化物的新型纳米复合结构光催化材料，实现将纳米TiO2等氧化物的光敏感区域有效地从紫外区域扩展至可见光范围，从而获得对可见光敏感的稳定高效光催化材料。2、多功能集成复合光催化
8、材料的微观结构调控及性能优化开展具有核/壳结构及线缆结构等新型纳米SiO2或分子筛或纳米活性碳/纳米TiO2等氧化物复合结构光催化材料的制备科学及其光催化降解有毒、有害气体和细菌性能研究，研究复合光催化材料的形貌、比表面积、孔道类型及结构、壳层厚度、界面组成及结构等对光催化性能的影响，探索光催化活性中心与有机污染物分子吸附中心之间的通道及相对分布对两者之间协同作用的影响及规律；研究对核/壳结构和线缆结构纳米TiO2复合光催化材料掺杂改性方法，使其具有可见光敏感催化性能，实现大吸附容量，高催化活性和可见光敏感等多功能集成。 3、三维有序大孔光催化材料薄膜的制备、性能研究及调控研究低成本制备三维有
9、序大孔纳米结构TiO2等氧化物及其复合氧化物光催化材料的制备科学及大孔形貌调控方法；研究大孔尺寸、孔壁厚度、孔壁组成和结构等对光子晶体带隙、光学性能和光催化性能的影响规律；利用光子晶体的带边对光催化活性增强原理，研究三维有序大孔光催化能提高光俘获效率，强化光与物质相互作用，从而提高光催化性能的原理及机制。4、气体分子与光催化材料、气敏材料界面的物理化学交互作用过程及光催化机理和气敏机理从原子分子纳米尺度上对TiO2基光催化材料的催化机理和半导体金属氧化物材料的气敏机理进行计算机理论模拟。针对金属或非金属掺杂半导体氧化物，不同种类和纳微结构的复合结构半导体氧化物，以及典型有毒、有害气体分子和半导
10、体氧化物等体系，采用第一性原理，半经验模型和过渡态理论等方法进行理论计算，并结合HRTEM、HRSEM、AFM、ART、XPS等实验研究方法，研究金属或非金属离子、半导体氧化物复合、有毒气体分子的性质及其对纳米半导体光催化材料的能带影响的规律，对光催化性能影响的基本规律，建立光催化材料工作机理的理论模型。（三）污染气体检测与治理器件的结构设计及技术集成 1、声表面波等检测方法、技术与器件基于材料方面的研究基础，筛选出一些适用于声表面波、光和电学检测方法的材料体系，并将主要工作集中在声表面波检测方面；开展系统的检测方法、技术、器件、系统等方面的研究。通过检测器的建模分析，对微观尺度结构的电声、化
11、学等多参量进行耦合理论分析，研究不同浓度的气体（主要包括H2S、NOx、SOx、CO、甲醛、苯类等）吸附对声表面波器件的频响模式的影响规律，设计并研制出稳定性好、插入损耗低且灵敏度高的声表面波气体检测器芯片。利用微电子平面工艺进行器件集成方法和工艺的研究。采用统计模式识别技术、人工神经网络(ANN)技术和进化神经网络(ENN)技术进行阵列模式识别方法的研究，优化出最佳阵列化声表面波检测方案。2、光催化和光电复合催化净化器设计与优化研究纳米TiO2复合光催化材料的成型技术及在玻璃、金属、多孔陶瓷等上的固载化技术，设计具有高效率的光催化气体净化组件；针对光催化净化器光子传输局限和气体扩散特点，根据
12、流体动力学和电磁介质传输理论，进行数值模拟计算，以此为依据，对光催化净化器结构进行优化设计，进而构建有毒、有害气体光催化净化器。3、多光束驱动光电复合催化净化器的研究依据在液相条件下二电极或三电极模式的光电复合催化原理，研究气相光催化的电极设计原理和方法，构建气相光电复合催化净化器组件；研究在气相光电催化作用下光生载流子的传输机理和反应物的反应模式；研究外加电场及多光束驱动对光催化活性的影响规律及其物理与化学机制，探索提高光催化效率的新途径和方法。4、服役条件下光催化材料与器件的失效机理与可靠性的研究通过对光催化材料、气敏材料与元件服役条件下的各种主要影响因素（电负荷、环境因素、应力以及污染物
13、）的独立作用及交互作用的对比研究，分析总结服役条件下光催化材料和气敏材料的组成、结构及性能的变化规律，并在此基础上研究提高光催化材料、气敏材料与元件可靠性的措施与方案。研究在再生过程中失活光催化材料、气敏材料的体相及表面的组成、结构及光催化性能的演化过程和变化规律，探索失活光催化材料和气敏材料的离线和在线再生方法和途径。二、预期目标（一）总体目标密切结合我国环境（主要包括空气环境）保护应用技术的重大需求，围绕当前环境气体检测与治理技术领域中所面临的“高选择性、检测与治理一体化”等关键科学问题，本项目拟从以下五个方面展开系统深入的研究工作：（1）敏感材料体系的分子与待检测物质的相互作用性质； （
14、2）信号的转换、有机纳米结构导致的信号增强；（3）选择性提高机理和方法，信号的提取、增强、及检测方法和技术；（4）光催化材料的空气净化机理；（5）空气净化材料及器件的制备与性能优化。将在新型检测与治理机制、新材料体系、检测及治理系统的集成等基础层面实现原始创新。在此基础上进行技术集成，研制高性能有害物质检测器件及治理系统。使我国在高性能环保检测与治理技术领域拥有自主知识产权和若干关键核心技术，总体达到或接近国际先进水平；为我国环保技术产业的可持续发展奠定技术基础，最终为产业提供强大的技术支撑。（二）五年目标通过本项目的实施，将形成纳米材料与结构在环境气体污染物检测与治理领域的前沿性研究体系，力
15、争取得23项具有重要国际影响的创新研究成果，掌握一些空气中有害物质（主要包括H2S、NOx、SOx、CO、甲醛、苯类等）检测与治理的关键技术。研制出可以检测甲醛、H2S、CO、NOx、SOx的便携式声表面波检测器原型样机，测量浓度范围0-1000 ppm，可探测的气体灵敏度5 ppm（0.010 g/m3），响应时间小于20 s，实现检测芯片，同时完成四种气体的在线检测。研制出高效安全的TiO2基纳米光催化材料及其净化器，实现上述有毒有害气体的高速净化，其可见光和紫外光光催化效率分别达到目前国际最好水平的2倍以上；净化系统样机处理能力达50 m3/m2h以上，并发展失活光催化材料的再生方法。在
16、国内建立起一支由中青年优秀人才组成的具有国际水平的研究团队，并发展成为高水平人才培养的基地。在国际核心学术期刊发表研究论文150篇以上，申请发明专利40项以上。三、研究方案1、总体研究思路围绕当前环境气体检测与治理技术领域中所面临的“高选择性、检测与治理一体化”等关键科学问题和形成自主知识产权的关键核心技术的总体研究目标，结合主要研究内容，本项目的总体研究思路是：（1）紧密结合社会及产业的需求、关注产业动态，注意产、学、研相结合，努力把握好基本检测、治理原理的创新和应用技术创新的平衡点；（2）考虑到气体检测与治理科学与技术领域的多学科交叉特性，本项目组织了一个包括具有材料制备、纳米结构设计与组
17、装、纳米材料表面与界面特性、光催化、微加工、器件集成等方面研究背景的研究队伍，而且上述不同研究背景的学术骨干已经具有了良好的前期合作基础和很强的互补性；（3）检测与治理原理五花八门、检测与治理对象种类多种多样，本项目不可能面面具到，拟在有限目标的前提下，主要针对基于声表面波和光电原理的有害物质检测器、基于TiO2光催化技术的净化技术等方面展开研究，针对的检测与治理对象主要包括空气中的H2S、NOx、SOx、CO、甲醛、苯类等有毒有害物质；（4）检测与治理研究有机结合，探索构建有毒、有害气体和细菌的检测与净化一体化系统；（5）在局部取得创新的前提下，实现综合性创新及技术的集成。2、技术路线项目实
18、施过程中总体技术路线主要考虑以下几个方面：（1）本项目拟发展的检测、治理方法和技术具有很强的多学科交叉特性，涉及到敏感材料合成、纳米结构制备、微加工及器件集成等学科或技术领域，因此在技术途径方面要把握每个技术步骤的协调统一及技术的相容性；（2）努力在技术创新与技术路线的可行性间找到平衡点，即技术创新要切合实际，其实施要符合现有实际条件和基础、具有良好的技术平台；（3）拟定的技术路线应以良好的前期研究基础为前提，这样才能增加其可行性。针对主要研究内容，计划通过以下的研究方法和技术途径来实现预期目标：（1）敏感材料的分子识别与信号响应：设计合成一些有机或配合物分子，使其在形成分子聚集体时，一种分子
19、间相互作用（氢键、弱配位键、pp或金属金属相互作用）占主导地位，而且这种作用有很强的一维或二维方向选择性，容易形成1-2D纳米材料，而且结构稳定。通过配位键或氢键相互作用形成带有孔道结构的纳米材料，使材料具有选择性吸附特性，而且吸附了特定的分子以后会使材料的光电或声学性质发生显著改变，具有优良的敏感特性。通过金属金属间相互作用构筑分子链，分子链的定向排列就会导致1-D纳米晶体的形成。需要强调的是，金属金属间相互作用不仅可以导致1-D结构，还可以诱导出特殊的激发态，而且这种激发态对于其所处的化学环境非常敏感，当一些特殊的气体分子与纳米材料发生作用时会显著影响材料的发光性能，从而实现检测的目的。（
20、2）纳/微米复合结构与信号增强及高选择性：从自然界敏感体系中找出特征结构，结合理论计算，设计分级多重纳米结构，进行敏感纳/微米结构的制备。我们拟用电子束直写及干、湿法刻蚀来制作模版, 用纳米压印技术及微接触打印技术来实现图形转移。拟采取top-down与bottom-up相结合的路线, 即亚微米结构用直写或光刻来实现, 在此基础上结合分子自组装来实现纳/微米复合多重结构。另一方面，无机/有机复合将是获得高性能敏感结构和材料的有效途径。由于纳米结构比表面积的增大，往往具有很高的灵敏度，人们已经证明，一些无机纳米材料确实具有非常高的灵敏度，将一些具有选择性识别特性的有机分子修饰到这些无机纳米材料的
21、表面来提高材料的选择性，从而实现高灵敏度和高选择性的统一。（3）敏感膜表面及界面与信号的提取和转换：敏感膜的制备、表面与界面特性的控制和膜体系与一些基底材料的结合，是将具有选择性及响应特性的纳米材料和结构应用于器件的关键。拟采用（1）部分制备的有机/高分子材料进行敏感薄膜的制备，借鉴（2）部分的工作提高膜材料的性能。计划利用有机半导体检测器具有良好的选择性识别特性及适合发展室温工作的优点，解决传统半导体传感器选择性差和工作温度高的问题。有机半导体传感器对极性气体甚至极性很小的挥发性物质的响应峰值不同，表现出丰富的选择性识别能力，结合阵列传感器的信号处理与指纹识别方法，将成为未来电子鼻的一类核心
22、技术。为了使敏感膜对待检测物质具有识别作用及良好的可逆吸附-脱附特性，我们将研究薄膜结构与制备方法条件的关系，基底材料对薄膜结构的影响，薄膜结构对器件性能的影响，以寻求薄膜制备的最佳条件。（4）声表面波等检测方法、技术与器件：利用前面设计合成的有机敏感材料及无机/有机复合材料进行敏感膜的制备，并进行声表面波器件的组装与集成。拟通过对检测器的建模分析及微观尺度结构的声、电、化学等多参量的耦合理论分析，研究不同浓度的目标分子的吸附对声表面波器件的频响模式的影响规律，设计并研制出稳定性好、插入损耗低且灵敏度高的声表面波气体检测芯片。研究声表面波检测器件的新加工技术，提高器件的生产效率，降低器件制备成
23、本。研究声表面波传感系统的整体化加工技术和阵列化、复合化、集成化加工技术，优化加工工艺，进一步提高性能和成品率；同时开展加工工艺对气敏薄膜性能的影响、电极材料制备工艺对器件性能的影响、密集线条的光刻工艺和图形转移工艺研究。（5）针对有毒、有害气体光催化净化体系，以界面及表面微观过程机制与调控规律研究为出发点，获得对纳米TiO2等氧化物光催化净化材料光催化反应机理和影响光催化效率的关键因素的深入认识，结合组成结构性能的相互关系及其调变规律，光催化吸附协同作用机理, 窄带半导体敏化及光电催化耦合机理的研究结果，形成根据材料功能需求设计纳米TiO2等氧化物复合环境净化材料的理论方案；采用水热合成、模
24、板法、溶胶-凝胶、纳米自组装等合成技术制备出结构匹配、功能协同、在紫外光和可见光照射下具有高光催化效率的系列纳微结构新型纳米TiO2等氧化物环境净化材料（二维或三维有序纳米TiO2等氧化物复合材料、纳米TiO2等氧化物-分子筛或活性碳复合材料、以及纳米TiO2等氧化物-窄带半导体复合材料等）；通过多种现代物理化学手段对上述材料的组成、结构和性能进行详细表征，并根据实验结果对材料设计理论模型和制备方法进行修正和优化；采用多光束驱动和光电复合催化等提高光催化材料的净化效率；最终建立根据材料功能需求设计、制备高效光催化复合环境净化材料的基础理论体系。（6）采用物理和材料科学专用软件，如：基于第一性原
25、理方法的VASP以及Materials Studio等软件，从原子分子尺度研究掺杂和纳米颗粒尺度对半导体材料（如：TiO2，ZnO）能级能带的影响、以及能级和能带的变化对其光学电学性能的影响。用过渡态理论和分子动力学理论研究材料表面化学反应的微观过程，如CO, NOx, 碳氢化合物分子如何在半导体表面发生氧化还原反应。用Gaussian 软件计算气体分子在表面发生化学反应时，原子分子的能量和作用力以及分子轨道和电荷密度，为建立定量的气敏性能规律模型提供数据。利用含时密度泛函理论研究光催化过程中的电荷转移行为，对于深入理解和探索光子吸收和电荷转移过程等提供理论依据。材料表面的化学反应与材料表面的
26、原子扩散紧密相关。气体分子或原子在材料表面的扩散过程是研究气固反应过程的一个重要问题。（7）通过一系列对比实验，研究纳米材料及元件服役条件下的各种主要影响因素的独立作用及交互作用，总结服役条件下光催化材料、气敏纳米材料的变化规律。为了更好地研究环境湿度与电力负荷交互作用的影响，我们也将特别采用水电解的方法进行研究。对于光催化材料，通过改变光子能量、光强、光照时间、溶液pH值、颗粒大小、温度等参数，研究其光腐蚀规律；通过各种分析方法，研究典型污染物消除过程中在材料表面的残留情况，总结污染物对于TiO2基光催化材料的影响规律。通过现代物理和化学的分析方法，研究在再生过程中失活TiO2基光催化纳米材
27、料体相及表面的组成、结构及光催化性能的演化过程和变化规律，探索失活TiO2基光催化材料的离线和在线再生方法和途径。对于气敏材料，通过改变常见被检测气体的浓度范围，加快气敏材料的失敏与激活研究；对常见被检测气体进行各种组合，研究复杂环境中气敏材料可能出现的新的失效模式。（8）采用模压成型技术制备纳米TiO2复合光催化材料的光催化净化组件，采用磁控溅射镀膜技术、旋转镀膜技术、喷涂技术和丝网电路印刷技术，制备可插式气相光电复合催化净化器组件。针对光催化净化器光子传输局限和气体扩散特点，根据流体动力学和电磁介质传输理论，进行数值模拟计算，以此为依据，对光催化净化器结构进行优化设计，进而构建有毒、有害气
28、体和细菌光催化和光电催化净化器。3、可行性分析(1) 课题承担单位拥有国内最先进的微纳加工平台和工艺、成熟的集成电路平面制造工艺和设备、百级和千级的超净间工作环境、信号处理的集成电路设计能力，这些为本课题研究工作的顺利实施提供了雄厚的强有力的研究平台。(2) 本课题的大部分研究内容已进行了前期预研，在几个最重要的研究方向上均有自己的创新或特色，并取得了初步成果。比如有机光子晶体、纳米结构、基于新材料的高频声表面波器件研制、声表面波气体检测器件的结构设计和模拟、基于聚合物的有机高分子敏感膜以及TiO2光催化材料等方面均有较多积累和进展，这些为本课题任务的完成打下坚实技术储备基础。(3) 课题承担
29、单位之间的相互紧密合作，而且与国际上相关领域的研究机构有着广泛的合作和交流，这使我们能及时把握国际上最新的研究动态的同时，自己内部之间也积极互动，使研究工作始终保持在国际前沿水平。另外上述这些单位还与国内外许多相关的研究机构及大公司进行密切的、高水平的合作，比如信息产业部重庆26所、航天部二院长峰公司等；与本研究领域的知名学者教授建立了长期良好的合作关系，这进一步确保我们能够及时解决研究工作中的理论、科学和技术难题，少走弯路，又能把握国际上最新的研究动态，使我们的研究工作始终能顺利进行且能跟踪国际前沿。因此我们有理由相信，通过此项目的资助，必将有效提高我国在高端气体检测器件领域的整体研发水平。
30、4、创新点与特色本项目的主要创新点如下：利用有机分子对目标气体分子的分子识别特性实现选择性，利用纳/微米复合结构实现信号增强即高灵敏度，分子识别和纳/微结构的有效结合可以有效地解决灵敏度和选择性的矛盾，通过表面与界面的优化与调控实现信号的提取、增强与转化，在上述研究基础上，进行器件结构及工艺的优化，获得高性能气体检测器件；同时利用纳米氧化物光催化材料的化学组成与纳微结构调控和多功能集成，以及多光束驱动的气相光电复合催化实现有毒有害气体污染物的有效降解；将上述两个方面结合在一起，形成检测与治理的统一系统。本项目的主要特色如下：（1）敏感-探测机理方面：设计、构筑具有复合周期及多层次纳/微结构，并
31、以此获得基于光子晶体特性的选择性识别功能及信号响应功能。通过纳米结构的有效调控实现对目标分子的高选择性识别特性及增强的光信号响应。（2）材料方面：将有机材料的分子识别特性及纳米材料的表面特性结合起来，实现具有选择性响应（主要包括声学、光、电响应）特性的有机纳米材料的设计及制备。首先通过分子结构的设计实现特异选择性质及信号响应功能，其次通过分子间相互作用在纳米材料体系中建立一个信号协同增强的物理通道，另外通过纳米材料大比表面积的特性进一步实现响应信号的增强。（3）敏感有机纳米半导体薄膜方面：通过材料的筛选及膜结构、形貌及表面与界面的控制方法与制备技术的优化，研制出具有特异选择吸附的敏感膜材料体系
32、，不仅选择吸附性好，还具有高稳定性等特点；同时利用有机半导体异质结的优异电学特性，来发展与其相适应的气体检测方法。（4）器件结构与工艺方面：在声表面波检测功能结构及制备技术方面进行创新性研究，采用集成电路中的平面工艺制作研制出灵敏度高、有效检测范围线性好、易于与计算机接口组成自适应实时处理系统；实现单片多功能、高选择性、集成化、智能化声表面波气体检测器件。将展开基础理论、设计方法、制备技术和信号处理等方面的研究，使检测器件的芯片的检测性能达到最佳。（5）基于纳米氧化物材料的有毒、有害气体及细菌检测和治理一体化系统：目前，对建筑物内及行业空气污染检测和治理是沿着两条独立的路线展开的，即：分别采用
33、相关仪器测量污染物和采用包括光催化技术在内的污染物降解。本研究针对环境污染治理中检测与治理相结合的紧迫需求，以纳米TiO2复合光催化材料作为主要的污染气体和细菌净化材料，采用光催化技术并结合新型检测技术，发展高效率的有毒、有害气体检测与治理一体化系统，该系统具有连续、实时、实地监控并治理，且高效、节能、成本低等特点。5、课题设置围绕前面提出的关键科学问题、主要研究内容及预期目标，本项目拟设五个研究课题；课题设置的总体思路是：从敏感纳米材料和结构入手，展开一系列研究，最后实现器件的集成。课题1（基于纳/微米材料与结构的分子识别、高选择性及信号增强）主要侧重敏感材料和结构的研究，是本项目的基础。通
34、过这个课题的研究，将会获得一些对有害气体分子具有高选择性和高灵敏度的纳米材料和结构（包括有机材料和无机/有机复合材料），在此基础上进行纳米敏感薄膜表面与界面特性的研究（课题3）。敏感膜材料是检测器件的核心和关键，其对器件的性能具有决定性作用，通过敏感膜材料的研究（包括膜材料制备、特性及其与器件基底材料的结合等）将促进和实现从材料到器件的飞跃，同时会获得一些原型器件（主要包括声表面波、半导体、光学器件）。课题3的研究将会获得一些性能优良的敏感膜材料体系，利用这些材料体系将进行检测器件的设计、优化及集成（课题3），形成一个具有优良性能的气体检测器件。在实现高性能检测的基础上进行有害物质治理的研究（
35、课题4和5），在污染物治理研究中，将催化降解材料与器件的研究（课题4）和空气净化机理与使役行为（课题5）相结合进行研究，力争在治理原理和机制上有所突破。总体来讲，1-5课题检测与治理密切结合，探索根治气体污染的新方法和新技术。五个研究课题介绍如下：课题1：基于纳/微米材料与结构的分子识别、高选择性及信号增强研究内容：研究敏感材料与目标分子（H2S、NOx、SOx、COx、甲醛、苯及其衍生物等）的分子间非共价键的作用性质，优化敏感材料分子上能够与目标分子发生相互作用的基团，获得具有识别特性的材料。结合器件制备工艺，研究敏感材料（包括膜材料）与器件加工工艺的统一方法和技术条件，实现材料制备和器件加
36、工一体化。研究通过多种材料的优化组合，并形成阵列型敏感器件的方法，探索多通道、高选择性的有效途径。将化学传感和光子晶体原理结合起来进行基于光子原理的高选择性和高灵敏度环境检测方法和技术的研究。拟从自然界气体敏感体系中找出特征结构, 结合理论计算, 为设计分级多重纳米结构提供依据。计划用电子束直写及干、湿法刻蚀来制作模版, 用纳米压印技术及微接触打印技术来实现图形转移，并在此基础上结合分子/微粒自组装来实现纳/微米复合多重结构。研究一些无机纳米敏感结构和材料体系同具有选择性识别特性有机分子的复合，通过结构复合与功能复合，实现选择性前提下的高灵敏度。预期目标：（1）理解敏感材料与目标物质的分子识别
37、特性的原理和规律，形成一些敏感材料的分子设计合成方法和路线，设计合成出一些具有选择性识别特性，同时产生信号响应的材料；（2）理解多重纳/微米复合结构对不同目标物质的响应机理,并在此基础上提出具有高选择性识别特性的纳/微米结构的设计及制备方案，获得一些对有害气体分子具有选择性识别特性的纳/微米复合结构。承担单位：吉林大学课题负责人：迟力峰 教授经费比例：25%课题2：纳米敏感薄膜表面与界面特性的研究研究内容：研究适合纳米厚度薄膜制备的有机半导体分子的设计与合成，开发新型有机半导体材料，满足高迁移率和高电导率有机半导体薄膜对分子结构和电子结构的要求。研究金属氧化物及复合敏感膜的纳微结构，探讨合成温
38、度、湿度、溶剂类型、模板剂类型和浓度对气敏材料结构及性能影响规律。研究敏感膜表面特性及界面特性对敏感膜性能的影响，包括：表面结构表征、表面结构与被测气体间的相互作用（吸附与离解）、上述作用与宏观电信号特征间的关系等；研究敏感膜与衬底（基板）的界面结合状态、敏感膜与测量电极的界面结合状态，以及对敏感元件性能的影响。研究敏感薄膜厚度、薄膜表面图案的尺度和类型对器件选择性的影响，发展高选择性室温工作器件。气敏元件与气敏元件阵列结构设计、制备方法和性能优化。预期目标：（1）解决纳米尺度新型有机半导体气体传感器相关的器件结构、薄膜、材料等关键问题，研究新材料、新结构、新机理的有机半导体器件，提出并制备2
39、3种适于气体传感的新型有机半导体器件；（2）揭示气敏元件及阵列在服役条件下微结构和使用性能的演化规律，建立可靠性评价方法，发展纳米复合结构气敏元件及阵列的优化设计方法和材料器件一体化制备技术。承担单位：中国科学院长春应用化学研究所课题负责人：闫东航 研究员经费比例：21.25%课题3：声表面波气体检测方法与技术的研究研究内容：本课题拟从研制可同时多通道检测甲醛、H2S、CO、NOx、SOx等有毒有害气体的声表面波气体检测器件原理性样机出发，系统地研究探测机理、有机纳米材料和结构对检测性能的影响、器件集成以及模式识别方法等方面的科学及技术问题。系统地解决在研制过程中所遇到的选择性、稳定性、复杂性
40、、工艺兼容性等多方面问题。研究机电耦合系数高、能量损失少、传播损耗小、温度系数小、高增益值(高Q值)的新材料体系的声表面波器件；研究综合性能优化设计的声表面波器件；研究不同浓度的气体吸附对声表面波器件的频响模式的影响规律；设计并研制出稳定性好、插入损耗低且灵敏度高的声表面波检测器芯片。研究微电子平面工艺、有机纳米材料与结构的制备工艺。通过模式识别技术和方法探索阵列化声表面波气体检测器的实现方法及其集成技术。预期目标：解决声表面波气体检测器中的器件结构、新材料、耦合传感机理等关键问题；研究新材料、新结构、选择性识别、高灵敏度、多种气体识别的声表面波气体检测芯片；并研制出可检测甲醛、H2S、CO、
41、NOx、SOx等气体的原理样机。承担单位：中国科学院微电子研究所课题负责人：刘键 研究员经费比例：18.75%课题4：TiO2基纳米光催化材料及器件的制备与性能优化研究内容： 研究具有核/壳结构和线缆结构的窄带半导体/纳米TiO2等氧化物的新型可见光响应光催化材料的制备及性能、多功能集成复合光催化材料的微观结构调控及性能优化。 三维有序大孔光催化材料薄膜的制备、性能研究及调控。气相条件下的纳米TiO2复合光催化材料的光电复合催化。依据在液相条件下二电极或三电极模式的光电复合催化原理，研究气相光催化的电极设计原理和方法，构建气相光电复合催化净化器组件；研究在气相光电催化作用下光生载流子的传输机理
42、和反应物的反应模式；研究外加电场及多光束驱动对光催化活性的影响规律及其物理与化学机制，探索提高光催化效率的新途径和方法。光催化和光电催化净化器设计。预期目标：解决纳米TiO2等氧化物光催化净化材料高效化的物理与化学机制问题； 发展基于化学组成和微结构调控的光催化净化材料的制备科学和方法；研制出高效安全的光催化材料及其净化器，其可见光和紫外光光催化效率分别达到目前国际最好水平的2倍以上；净化系统样机处理能力为50 m3/m2h，建筑物内主要污染物含量达到室内空气国家质量标准。承担单位：武汉理工大学；课题负责人：李远志 教授经费比例：18.75%课题5：光催化材料的空气净化机理与使役行为研究内容：
43、研究TiO2基光催化材料研究光催化材料的体相及界面组成和结构对光吸收带边、吸收强度、光生电子和空穴复合、界面电荷的传递和俘获等的影响；从原子分子纳米等空间尺度，采用多种物理化学方法，并采用第一性原理、分子动力学和过渡态理论等方法进行理论计算与模拟，研究典型有毒、有害气体污染分子在TiO2基光催化材料表面的紫外及可见光催化机理及其动力学过程。TiO2基光催化材料的失效规律、时间效应、可靠性及再生条件的研究。探索使役条件下TiO2基光催化材料的失效机理，总结使役条件下常见的失效模式。研发一种可行的光催化材料使用寿命表征方法。探索TiO2基光催化材料再生方法。预期目标： 通过对纳米氧化物空气污染净化
44、材料的界面微观过程、结构调控原理、紫外及可见光催化反应机理、构效关系、失效机理等系统研究，解决纳米TiO2基光催化材料高效化、长效化和再生的物理与化学机制问题。承担单位：华中科技大学课题负责人：潘春旭 教授经费比例：16.25% 四、年度计划研究内容预期目标第一年1、设计合成对于H2S、NOx、SOx、COx、甲醛、苯及其衍生物等具有选择性识别的有机、有机/无机复合及氧化物纳米敏感材料。研究具有识别及响应特性的半导体材料，探索建立在高迁移率基础上的有机敏感膜材料体系。研究基于层状组装技术构筑具有传感功能的多层膜方法。研究有机敏感材料的分子或分子聚集体同目标分子的相互作用特性及基于相互作用导致的
45、识别及响应特性（主要包括声、光电响应特性）。考察所制备的纳米材料对于H2S、NOx、SOx、COx、甲醛、苯及其衍生物等的传感特性，为材料的优化提供依据。建立面波器件的多层膜的耦合模分析模型，对检测器件各个结构参数进行模拟计算和优化，完成敏感薄膜评测系统的搭建，进行声表面波器件的试制；选择上述制备的材料作为器件的敏感膜材料，并进行初步的检测性能分析，在此基础上对材料的设计与合成提出改进方案。2、研究具有可见光敏感的窄带半导体/纳米TiO2等氧化物的新型纳米复合结构光催化材料、光生载流子转移机理、窄带半导体的稳定机制及其对有毒、有害气体和细菌可见光催化净化性能的影响因素；构建组成、结构与光催化反
46、应性能之间的关系。应用高分辨表面分析技术及微结构表征手段，研究系列TiO2基光催化材料与气体分子的界面物理化学作用；考察体相及界面组成和结构对物理化学性能的影响；基于第一性原理方法，研究掺杂对TiO2材料能级能带的影响及其对其光学电学性能的影响；连续测试条件下TiO2基光催化材料的活性变化规律。1、完成敏感材料的设计与初步筛选工作，获得一些传感性能较好的材料，并完成敏感膜的制备，进行初步的传感性能研究。发展出敏感膜纳微结构的调控方法，阐明气敏膜纳米复合结构的形成机制和敏感膜微观结构对性能的影响规律。设计合成出8-10种具有敏感特性的有机化或有机/无机复合材料，这些材料具有形成有机纳米材料或有机
47、/无机复合纳米材料的特性。初步完成对敏感膜材的筛选，并对其性能进行系统评价。完成声表面波器件的设计，探索出最佳的声表面波传感器的工艺条件。2、发展计制备可见光响应纳米TiO2等氧化物复合光催化材料的原理和方法；研制出高效安全的可见光响应光催化净化材料，其可见光催化效率达到目前国际最好水平的2倍以上；探索新型纳米TiO2基复合环境净化材料的组成、结构与性能间的关联规律；为新型功能纳米氧化物材料的设计、结构优化及其应用提供指导和依据。3、本年度预计可完成SCI研究论文30-40篇（影响因子3以上）。申请发明专8-10项。第二年1、设计合成基于分子识别原理的敏感材料，研究敏感材料形成的超分子体系与目
48、标分子的非共价相互作用特性，探索通过超分子结构的优化实现选择性识别的有效途径。利用光子晶体原理和方法进行气体敏感纳/微米结构的研究，将纳/微米复合结构与光子晶体原理的有效结合，探索新型气体检测方法和技术。研究半导体氧化物纳米复合结构气体敏感膜的气体敏感特性和微结构对气体敏感特性的影响规律。研究有机/有机、有机/无机、有机/金属等等各种界面特性，探索通过优化界面特性来提高敏感膜材料体系性能的方法，为检测器件的设计与制备提供依据。探索声表面波器件和化学吸附膜的工艺兼容性问题，完善气体检测器件的提参建模，优化器件的设计与制作，通过系统实验确定声表面波器件的工艺参数，研究获得高均匀性气体传感器材料的工艺，提出原理样机的方案设计。2、研究具吸附/光活性双重功能的新型纳米TiO2复合结构光催化材料的制备、构效关系、气体分子转移机理及其光催化降解有毒、有害气体性能研究；研究其掺杂改性方法，使其具有大吸附容量，高催化活性和可见光敏感等多功能。研究光催化材料气相光催化的动力学过程，包括电子施体及受体在催化剂表面的预先吸附、光生电子的产生和扩散、界面电荷的传递和俘获、气体污染物