气体传感器是探测某种环境中气体信息的关键元件,在工、农、医等众多领域展现了良好的应用前景和研究价值。先进、高效的半导体基气体传感器离不开纳米科技的进步和纳米材料的创新。设计新型敏感材料,系统研究材料纳米结构、组分与传感器敏感特性的内在联系是十分必要的。这不仅可以改善传感器的敏感性能,也可以为气体传感器向小型化、智能化发展起到推动作用。本论文瞄准多元金属氧化物可变价态阳离子种类多元化、缺陷态丰富、纳米结构和表面形貌可控可调的优势,通过多种液相方法合成了不同体系的敏感材料（锡酸盐、铁酸盐和钴酸盐）,将其应用于气体传感器以检测多种挥发性有机化合物（VOCs）。通过形貌调节、计量比优化、表面修饰改性、异质结构筑等材料设计手段,从材料微观形貌和化学组分两个方面提升多元金属氧化物基传感器的敏感性能（灵敏度、响应恢复速度、选择性等）,同时也提出了多元金属氧化物用作敏感材料的优越性和敏感机理。本文的主要研究工作包括:1、第一部分工作为锡酸盐及其复合材料的可控制备和气敏性能研究,主要有以下几个研究内容:（1）通过碱刻蚀法合成了多壳层中空结构的ZnSnO₃立方体,壳层数目可调控为0-3层。通过对甲醛气体敏感特性的研究发现,在220°C的工作温度下,与实心、单壳层、双壳层的ZnSnO₃立方体相比,以多壳层ZnSnO₃立方体材料构筑的气体传感器对甲醛的灵敏度分别提升了3.5、2.4以及1.5倍,同时其具有极短的响应时间（1 s）。（2）以棒状、立方体、八面体形貌的Zn₂SnO₄分别与Mn₃O₄纳米线进行复合,构筑不同的一维Mn₃O₄/Zn₂SnO₄异质结构传感材料。研究结果表明,当八面体形貌的Zn₂SnO₄和Mn₃O₄纳米线复合时,以其构筑的气体传感器对丙酮的灵敏度最高,在220°C的工作温度下,对200 ppm丙酮的灵敏度为8.3,并具有良好的长期稳定性。通过Zn₂SnO₄八面体的修饰,使材料对氧的吸附能力大大增强,传感器的灵敏度显著提高。2、第二部分工作为铁酸盐及其复合材料的可控制备和气敏性能研究,主要有以下几个研究内容:（1）以硬模板法制备了NiFe₂O₄核-壳纳米球材料,所制备的材料具有较大的比表面积以及疏松多孔的结构,这有效避免了NiFe₂O₄纳米粒子之间的团聚。其对丙酮具有良好的敏感特性,在280°C工作温度下对100 ppm丙酮灵敏度达到10.6,响应/恢复时间分别为1s/7s。（2）在以上工作基础上,以金属有机框架（MOFs）-MIL-88为自牺牲模板,合成了一维结构的α-Fe₂O₃/NiFe₂O₄异质结构材料。所制备的材料为中空管状形貌,且具有良好的结构稳定性。与纯相的α-Fe₂O₃和NiFe₂O₄材料相比,基于α-Fe₂O₃/NiFe₂O₄异质结构的传感器表现出增强的丙酮传感性能。在200°C工作温度下,传感器对100ppm丙酮的灵敏度为23,比α-Fe₂O₃和NiFe₂O₄的灵敏度分别提高了5.4和1.6倍,且对丙酮气体选择特性良好。（3）制备了纯净的α-Fe₂O₃以及一系列的α-Fe₂O₃/LaFeO₃中空球复合材料。表征结果证明,在调控材料中α-Fe₂O₃和LaFeO₃组分的同时,复合材料的形貌也会产生明显的变化。随着复合材料中LaFeO₃组分的增加,中空球的壳层表面孔结构减少,逐渐致密化。当以其检测乙醇气体时,多孔的α-Fe₂O₃/LaFeO₃中空球材料对100 ppm乙醇的灵敏度为10.1,且获得了较短的响应恢复时间,分别为1s和5s。对乙醇良好的敏感特性源于材料组分和形貌的协同作用。通过n-p异质结的构筑,能够在材料界面形成耗尽层,当目标气体和表面氧反应,可以使材料内部发生较大的载流子浓度变化,且材料疏松多孔的结构可促进乙醇气体扩散,这两方面原因使传感器不但表现出较高的灵敏度且响应恢复速率也很快。3、第三部分为钴酸盐及其复合材料的可控制备和气敏性能研究,主要有以下几个研究内容:（1）首先研究了尖晶石结构的钴基金属氧化物中阳离子（Mn、Ni、Zn）在四面体/八面体位点的替代作用对气敏性能的影响。通过溶剂热方法以及退火处理合成了多壳层双球形貌的MCo₂O₄（M=Mn、Ni和Zn）材料。研究结果表明,具有正尖晶石结构的ZnCo₂O₄材料在190和170°C分别对丙酮和甲醛表现出较高的灵敏度,而反尖晶石的结构的MnCo₂O₄和NiCo₂O₄的气敏性能并不理想。这主要归因于,正尖晶石结构的ZnCo₂O₄中具有更加丰富的八面体Co³⁺活性位点,能够显著提高对气体的吸附作用。（2）为了进一步增强ZnCo₂O₄的气敏特性,对其进行了双金属阳离子化学计量比的调节。以ZIFs为模板制备了Zn_xCo_3-xO₄中空立方体材料,其中Zn/Co比为0.27、0.37以及0.48。发现当材料Zn/Co为0.37时,以其构筑的传感器对丙酮的灵敏度最高,对200 ppm丙酮的灵敏度为35.6,检测下限可达到0.5 ppm,且在高湿条件下依然表现出显著的检测信号。（3）针对于反尖晶石结构的NiCo₂O₄材料,则以形貌结构调控和催化剂掺杂的方式克服其作为敏感材料灵敏度较低的局限性。所制备的PdO-NiO/NiCo₂O₄去角纳米笼与NiO/NiCo₂O₄实心立方体和未经PdO掺杂的NiO/NiCo₂O₄去角纳米笼相比,对丙酮的灵敏度和选择性都有所提升。提高的气敏特性源于材料结构和催化效应的协同作用。本论文通过以上三个材料体系（锡酸盐、铁酸盐以及钴酸盐）的工作,系统地研究了多元金属氧化物半导体气敏特性与表面形貌、晶体结构、材料组分的关系与规律,并深入地探讨了多元金属氧化物半导体敏感机理,为构筑高性能的金属氧化物半导体气体传感器提供了实验基础和理论基础。