气体传感器理论:团簇的气敏性能研究

本书共7章，主要内容包括：绪论，团簇及其理论计算方法，基于金属及其氧化物团簇的气体传感器研究，基于Ag7Au6团簇的气体传感器研究，基于Gd@Aun（n=14、15）团簇的气体传感器研究，基于C54Si6异质富勒烯的气体传感器研究，M12N12（M=Al、Ga）团簇及其组装材料的气敏性能研究。 本书可供在气体传感器领域工作的相关人员学习、参考。

雍永亮，博士，毕业于浙江大学凝聚态物理专业，现任职于河南科技大学物理工程学院，副教授。长期讲授大学物理、数学物理方法等课程。

目 录 章 绪论 1 1.1 大气污染 1 1.1.1 引言 1 1.1.2 造成大气污染的源头 1 1.1.3 空气污染的危害及指标 2 1.2 室内空气污染 5 1.2.1 室内空气污染的来源 5 1.2.2 室内空气污染的危害 7 1.3 气体传感器 7 1.3.1 气体传感器及其主要特征 8 1.3.2 气体传感器的主要原理及分类 9 1.4 气体传感器的发展方向 22 1.4.1 新气敏材料的研究开发 22 1.4.2 新型气体传感器的研制 23 1.4.3 气体传感器智能化及多功能化 23 参考文献 23 第2章 团簇及其理论计算方法 28 2.1 纳米材料 28 2.2 团簇 31 2.2.1 团簇的概念 31 2.2.2 团簇的基本性质 33 2.2.3 团簇的分类 38 2.3 团簇的全局优化算法 43 2.3.1 团簇优化中的势函数 45 2.3.2 全局优化算法 49 2.4 性原理计算方法 55 2.4.1 性原理计算方法简介 55 2.4.2 Dmol3软件简介 59 参考文献 62 第3章 基于金属及其氧化物团簇的气体传感器研究 70 3.1 引言 70 3.2 纳米结构的电导式气体传感器 71 3.3 基于团簇的气体传感器器件的合成 75 3.3.1 团簇的产生 76 3.3.2 淀积的准备 78 3.3.3 器件的构建 80 3.4 基于团簇的电导式气体传感器的研究进展 80 3.4.1 二氧化锡（SnO2）团簇 83 3.4.2 钯（Pd）团簇 84 3.4.3 氧化铜（CuO）团簇 85 3.4.4 氧化锌（ZnO）团簇 86 3.4.5 金（Au）和铂（Pt）团簇 88 3.5 总结与展望 92 参考文献 92 第4章 基于Ag7Au6团簇的气体传感器研究 101 4.1 引言 101 4.2 Ag7Au6团簇的合成与表征 102 4.3 计算方法 103 4.4 结果和讨论 104 4.4.1 纯的Ag7Au6团簇 104 4.4.2 分子的吸附 106 4.4.3 Ag7Au6团簇的气敏性能 109 4.5 小结 110 参考文献 110 第5章 基于Gd@Aun（n =14、15）团簇的气体传感器研究 115 5.1 引言 115 5.2 计算方法及细节 116 5.3 结果和讨论 117 5.3.1 Gd@Aun（n =1～16）团簇的结构 117 5.3.2 Gd@Aun（n=14、15）团簇与气体分子的相互作用 122 5.3.3 Gd@Aun（n =14、15）团簇作为气敏材料的可能性 126 5.4 小结 129 参考文献 130 第6章 基于C54Si6异质富勒烯的气体传感器研究 133 6.1 研究背景 133 6.2 计算方法 135 6.3 C54Si6异质富勒烯 136 6.3.1 C54Si6异质富勒烯的结构特性和电学特性 136 6.3.2 C54Si6异质富勒烯的热力学性质 138 6.4 C54Si6异质富勒烯的气体传感器应用 140 6.4.1 C54Si6异质富勒烯的分子吸附 140 6.4.2 C54Si6异质富勒烯的气敏性能 145 6.5 小结 148 参考文献 149 第7章 M12N12（M=Al、Ga）团簇及其组装材料的气敏性能研究 153 7.1 研究背景 153 7.2 计算方法及细节 155 7.3 M12N12（M=Al、Ga）团簇 155 7.4 M12N12（M=Al、Ga）团簇的气敏性能介绍 156 7.4.1 NO、NO2和HCN分子在M12N12（M=Al、Ga）团簇上的吸附 157 7.4.2 M12N12（M=Al、Ga）团簇的气敏性能 160 7.5 基于M12N12（M=Al、Ga）团簇组装纳米线的气体传感器研究 161 7.5.1 M12N12（M=Al、Ga）团簇组装纳米线的结构特性和电学特性 161 7.5.2 MN纳米线与分子间的相互作用 164 7.5.3 MN纳米线的气敏性能 169 7.6 小结 171 参考文献 172

"前 言 近些年，随着工业化和都市化的快速发展，由汽车尾气、工农业生产过程中排放的废气等引起的大气污染也越来越严重，从而促使人们对相关气体信息越来越重视，其中最受人们关注的问题之一就是对有害气体的高效检测。然而，只有当气体传感器具备响应较快、灵敏度较高、功耗较低及使用便捷这些特点之后，才能达到高效检测的目的，提高气体传感器的灵敏度和改善其选择性就显得异常迫切且有深远意义。针对不同的气体类型，需要发展的检测技术也有所不同，有时为了应对一些特殊或极端的场合，需要对目标气体在特定场合进行定性、定量识别。上述研究需求极大地推动了有关气体传感器的研究，成为帮助人们获取实时气体信息、对气体严格监控的重要因素之一。气体传感器的核心是气敏材料，开发具有高性能的气敏材料是当前研究的热点之一。随着先进科学技术的应用，气体传感器发展的趋势是微型化、智能化和多功能化。深入研究、掌握并正确选择各类传感器的气敏材料，使传感器性能最优是气体传感器的发展方向。 团簇是由几个乃至上千个原子或分子通过一定的结合方式组成的相对稳定的微观或亚微观聚集体。团簇的物理、化学性质既不同于单个原子、分子，又不同于相应的宏观固体或液体材料。由于团簇具有微观结构特点及奇异的物理、化学性质，所以为制造和发展特殊性能的新材料开辟了新的途径，因此，团簇作为零维的纳米材料在气敏材料中占据着重要地位。探寻具有何种组分、尺寸和结构的团簇适合作为气敏材料是当前团簇、材料科学及气体传感器等领域的研究热点之一。 本书共7章。章首先介绍大气污染（包括室外和室内）的主要来源及其危害，从而突出气体传感器的重要性；接着详细介绍气体传感器的主要特征和分类；最后给出气体传感器的发展方向。第2章首先简要介绍纳米材料及其分类；接着介绍团簇的概念、基本性质及分类；最后给出研究团簇的全局优化算法的基本内容及其分类，以及基于密度泛函理论的性原理计算方法的基本内容和本书所用的软件。第3章介绍基于金属及其氧化物团簇的气体传感器的研究进展。第4～7章给出几种具体团簇的气敏性能研究。第4章介绍基于Ag7Au6团簇的气体传感器研究。第5章介绍基于Gd@Aun（n =14、15）团簇的气体传感器研究。第6章介绍基于C54Si6异质富勒烯的气体传感器研究。第7章给出M12N12（M=Al、Ga）团簇及其组装材料的气敏性能研究。 本书内容主要基于作者近年来对团簇及团簇气敏性能的研究，同时借鉴了国内外同行的研究成果。本书的相关研究和分析工作得到了河南科技大学的大力支持。本书的出版得到了国家自然科学基金（编号：61774056和11304080）、河南科技大学博士科研启动基金与河南科技大学校青年学术带头人基金的资助，在此深表感谢。 本书在撰写过程中参考的相关文献已在每章后列出，如有疏漏，敬请海涵，在此对相关学者表示衷心感谢。由于作者水平有限，书中难免仍有错误和不当之处，希望广大读者、专家学者批评指正。 雍永亮 2019年2月于河南科技大学"