锗酸铜材料的制备及其三甲胺气敏性能研究申报书.doc

安徽工业大学大学生创新训练项目申报书项 目 编 号 项 目 名 称锗酸铜材料的制备及其三甲胺气敏性能研究 项 目 负 责 人 张宏 联系电话 所在学院 学 号 专业班级 E-mail 153044372 指导教师 储向峰 E-mail 申请日期 2015.04.10 起止年月 2016.01.01-2017.06.30 项目级别：AA 国家级B 省级C 校级 重点 一般二一五年四月填写说明1. 本申请书所列各项内容均实事求是，认真填写，表达明确严谨，简明扼要。2. 申请人可以是个人，也可以为创新团队，首页只填负责人。“项目编号”一栏不填。3. 项目所属一级学科：项目内容所属的一级学科，3位代码，按照中华人民共和国学科分类与代码简表（国家标准GB/T13745-2009）。4. “项目来源”栏填写“学生自主选题”、“学生来源于教师科研项目选题”、“学生承担社会、企业委托项目选题”。 “来源项目类别”栏填写“863项目”、“973项目”、“国家自然科学基金项目”、“省级自然科学基金项目”、“教师横向科研项目”、“企业委托项目”、“社会委托项目”以及其他项目标识。5. 本申请书用A4纸正反面打印，左侧装订成册。可网上下载、自行复印或加页，但格式、内容、大小均须与原件一致。6. 负责人所在学院须认真审核，经初评和答辩，签署意见后，将申请书（纸质版）报送工创中心创新实践教学科，电子版发至：。一、基本情况项目名称锗酸铜材料的制备及其三甲胺气敏性能研究所属学科150.1540项目来源学生来源于教师科研项目选题来源项目类别国家自然科学基金项目申请金额 10000.00元起止年月 2016年 01 月至 2017 年 06 月项目负责人及团队成员信息姓名性别学号院系专 业年级联系电话项目中的分工张宏样品制备叶星云样品表征王政委气敏性能测试胡柳平气敏性能测试指导教师基本情况姓名性别年龄院系（课部）职称职务联系电话E-mail储向峰男49应化教授副院负责人曾经参与科研的情况没有参与科研工作指导教师承担科研课题情况在研国家自然科学基金项目2项、结题国家自然科学基金项目1项、结题省教育厅自然科学基金项目2项。指导教师对本项目的支持情况本项目是老师自然科学基金项目的延伸，指导老师会从文献查阅、实验方案制定、实验设备、样品表征、结果分析、经费等各方面给予支持。二、立项依据（可加页）（一） 研究意义和目的近年来，食品安全备受人们重视，猪肉、鱼和虾中含有大量氧化三甲胺，氧化三甲胺会在微生物和酶的作用下降解生成腥臭味的三甲胺和二甲胺，随着新鲜度下降，三甲胺的体积分数会越来越高，而且还可以转化成致癌物亚硝基胺。因此，三甲胺的存在及其浓度指标是评估肉类和鱼类食品质量的重要指标。低浓度的三甲胺会引起眼、鼻、咽喉和上呼吸道刺激症状；高浓度吸入时会产生痉挛、肺水肿，对人体危害极大1, 2。根据美国职业安全与健康研究所标准(NIOSH, USA)，车间内三甲胺浓度应低于10 ppm3。因此，为了人类自身的工作环境安全和人体健康，研究同时快速准确测定空气中三甲胺的方法具有重要的现实意义。三甲胺的测定方法主要有高效液相色谱法4,5、气相色谱法6、离子色谱法7、质谱法8和气体传感器法9。前四种方法均需要昂贵的仪器，而且分析步骤复杂、耗时长。相反，传感器法则以其成本低、制造简单、检测速度快和寿命长等优点成为近年来国内外的研究重点和热点。随着工业生产和环境监测的迫切需要，纳米气体传感器现已获得长足进步。零维、一维和二维半导体金属氧化物ZnO、SnO2、In2O3、WO3和复合半导体金属氧化物YFeO3、ZnSnO3、 LaFeO3以及碳纳米管和二维纳米薄膜等都可以作为敏感材料制成气敏传感器。但在传感器领域中尚存在很多问题：元件稳定性不好、元件的工作温度高及选择性不好。要想得到理想的气敏传感器，最重要的一个方法就是开发新型的气敏性能好的气敏材料。Cu2GeO4是一种新型的半导体材料。目前为止，还没有有关纳米Cu2GeO4半导体材料对三甲胺气体气敏性能（灵敏度、选择性、稳定性等）的文献报道。我们通过不同的制备方法、制备条件制备纳米Cu2GeO4半导体材料，测试其气敏性能，如果气敏性能不理想还可通过Cd/Ni掺杂Cu2GeO4，以获得对三甲胺具有良好选择性、高灵敏度和较低工作温度的Cu2GeO4基气敏材料。参考文献1 Mitsubayashi K, Kubotera Y, Yano K, et al. Trimethylamine biosensor with flavin-containing monooxygenase type 3 (FMO3) for fish-freshness analysis J. Sens. Actuators, B, 2004, 103(1-2): 463-467.2 Pandeeswari R, Jeyaprakash B G. Nanostructured -MoO3 thin film as a highly selective TMA sensor J. Biosens. Bioelectron., 2014, 53: 182-186.3 /SLTC/healthguidelines/trimethylamine/recognition.html4 Marzo A, Monti N, Ripamonti M, et al. Determination of aliphatic amines by gas and high-performance liquid chromatography J. J. Chromatogr. A, 1990, 507: 241-245.5 Chfer-Perics C, Herrez-Hernndez R, Campns-Falc P. Selective deter- mination of trimethylamine in air by liquid chromatography using solid phase extraction cartridges for sampling J. J. Chromatogr. A, 2004, 1042(1-2): 219-223.6 秦辉，夏文水. 顶空气相色谱法测定河蟹中三甲胺的含量. 食品工业科技， 2008，29：280-282.7 丁永胜,牟世芬.离子色谱法测定饲料中氯化胆碱和三甲胺的含量J. 色谱, 2004,22(2):174-176.8 Kim Y H, Kim K H. An accurate and reliable analysis of trimethylamine using thermal desorption and gas chromatography-time of flight mass spectrometry J. Anal. Chim. Acta, 2013, 780: 46-54.9 Chang-Hoon Kwak, Hyung-Sik Woo, Jong-Heun Lee. Selective trimethyl- amine sensors using Cr2O3-decorated SnO2 nanowires. 2014, 204:231-238.（二） 研究内容1. 探究Cu2GeO4材料不同制备条件对不同气体气敏性能的影响。2. 研究Cd/Ni掺杂对Cu2GeO4的相组成、粒径、气敏灵敏度、气敏选择性的 影响。（三） 国内外研究现状和发展动态 三甲胺气体在大型冷藏库、商场冷藏柜和居民厨房广泛存在，与人类的健康息息相关，准确快速测定空气中的三甲胺具有一定的现实意义。Qi等1 将La0.7Sr0.3FeO3负载到In2O3-SnO2复合纳米纤维材料表面，研究对三甲胺气体传感器抗潮湿能力的影响。元件在工作温度为80oC、相对湿度为85%时，对1ppm三甲胺灵敏度高达6.3，但是元件的最低检出限量有待提高。Chang-Hoon Kwak等2研究了Cr2O3-SnO2纳米线对三甲胺气体的敏感性，元件在450oC的工作温度下，对5ppm的三甲胺气体灵敏度为9.87，而对5ppm的乙醇气体灵敏度仅4.99，具有良好的选择性，但是元件的工作温度较高。Chu等3研究了MoO3纳米材料对三甲胺气体的气敏性能，元件对1000ppm和0.01ppm三甲胺气体灵敏度分别达到2533和1.5，灵敏度高且元件的最低检出限低，但是工作温度为300oC。从大量关于三甲胺气体传感器的文献看，三甲胺气体传感器存在的问题主要是：检测限量不能满足要求、选择性差、工作温度高、相应时间长等。为了获得对三甲胺具有良好选择性、高灵敏度和较低工作温度的半导体气敏材料，我们选择Cu2GeO4这种新型气敏材料作为研究对象。目前，国内外并没有有关Cu2GeO4半导体材料三甲胺气体气敏性能的研究报道。参考文献1 Qi Qi, Yongcun Zou, Meihong Fan, et al. Trimethylamine sensors with enhanced anti-humidity ability fabricated from La0.7Sr0.3FeO3 coated In2O3-SnO2 composite nanofibers. Sensors and Actuators B: Chemical. 2014, 203: 111-117. 2 Chang-Hoon Kwak,Hyung-Sik Woo,Jong-Heun Lee, Selective trimethyl- amine sensors using Cr2O3-decorated SnO2 nanowires.Sensors and Actuators B: Chemical. 2014, 204: 231-238.3 Xiangfeng Chu, Shiming Liang, Wenqi Sun, et al. Trimethylamine sensing properties of sensors based on MoO3 microrods, Sens. Actuators B, 2010,148: 399-403.（四） 创新点与项目特色 1. 研究新型Cu2GeO4半导体材料的气敏敏感性能。 2. 探究Cd/Ni掺杂Cu2GeO4对多种气体灵敏度、选择性和材料长期稳定性 影响规律研究。（五） 技术路线、拟解决问题及预期成果图1是本项目采用的基本研究思路和技术路线。图1 本项目的研究思路和技术路线图本项目通过上述研究思路和技术路线制备纳米Cu2GeO4半导体材料，Cd/Ni掺杂Cu2GeO4半导体材料采用相似的制备方法使Cd/Ni替代原来Cu的位置Cdx/NixCu2-xGeO4，对制备材料进行气敏性能测试，欲得到对三甲胺气体有良好选择性和高灵敏度的半导体气敏材料。预计在化学传感器领域学术期刊发表论文1-2篇。（六） 项目研究进度安排2016.01-2016.06 制备Cu2GeO4半导体材料，研究不同制备条件对材料气敏性能（灵敏度、选择性、稳定性）的影响规律；并对Cu2GeO4半导体材料进行表征，分析制备材料相组成、粒径等对气敏灵敏度、气敏选择性的影响。2016.07-2016.12 制备Cd掺杂Cu2GeO4半导体材料，研究Cd掺杂含量对材料气敏性能（灵敏度、选择性、稳定性）的影响规律；并对Cd掺杂Cu2GeO4半导体材料进行表征，分析Cd的掺杂对相组成、粒径、气敏灵敏度、气敏选择性的影响。2016.01-2017.06 制备Ni掺杂Cu2GeO4半导体材料，研究Ni掺杂含量对材料气敏性能（灵敏度、选择性、稳定性）的影响规律；并对Ni掺杂Cu2GeO4半导体材料进行表征，分析Ni的掺杂对相组成、粒径、气敏灵敏度、气敏选择性的影响。（七） 已有基础1. 与本项目有关的研究积累和已取得的成绩 本实验室导师储向峰老师从攻读博士学位至今，在气敏材料及其传感器领域有十几年的研究经历，在气敏材料及其传感器领域积累了丰富的理论知识和实践经验，而且所带研究生已在国内外传感器领域专业期刊Sensors and Actuators B等发表关于气敏材料及其传感器的论文数篇。目前，实验室人员正在制备及研究有关Zn2GeO4半导体材料的气敏性能，且有了一定进展，对新型半导体材料的研究有了一定的实验及理论基础。 下面是近年来本实验室已经发表的部分相关方向的论文。（1） Xiangfeng Chu, Sumei Zhou, Wangbing Zhang, et al. Trimethylamine sensing properties of nano-LaFeO3 prepared using solid-state reaction in the presence of PEG400J. Materials Science and Engineering B, 2009, 164 (1): 65-69.（2） Xiangfeng Chu, Sumei Zhou, Wangbing Zhang, et al. Gas sensing behavior of nano-LaFeO3 thick films prepared through microwave heating methodJ. Sensor Letters, 2010, 8 (4): 1-5.（3） Xiangfeng Chu, Shiming Liang, Wenqi Sun, et al. Trimethylamine sensing properties of sensors based on MoO3 microrods, Sens. Actuators B, 2010, 148: 399-403.（4） Feng Liu, Xiangfeng Chu, et al. Improved Gas-Sensing Properties of Graphene-CoFe2O4 Composite Prepared via Homogeneous PrecipitationJ.