工业发展在为人类创造财富的同时,也对环境造成了很大的污染。日益严重的大气污染正在破坏人类生存环境和威胁人们身体健康,因此,对环境中有害气体的实时检测越来越受到科学界的广泛关注。气敏传感器(俗称“电子鼻”)是传感领域的一个重要分支,能将被测气体的成份与含量转变为可进行测量的信息,利用物理或化学效应引起电阻、电位、电容或者频率的变化而实现检测、监控、分析和报警的功能。目前,在环境监测、民用和工业领域均已发挥重要作用,同时也成为国内外研究的热点。本论文选择发现最早、应用广泛的氧化锌气敏材料为研究对象,以简便易控的静电纺丝技术构筑一维纳米结构思路为基础,控制制备了不同形貌的Zn0纳米纤维,在利用单轴静电纺丝技术制备中空纤维方面取得了一定的突破,制备出SnO2-ZnO中空纳米纤维,初步探讨了单轴静电纺丝技术制备中空纤维的形成机理,并从提高灵敏度、改善选择性以及降低工作温度的角度出发,对所得纤维材料进行贵金属、金属氧化物的掺杂改性,有效改善了元件的气敏性能,制备出有实用价值的气敏元件,论文研究成果可为进一步工业化提供技术支撑和有效的实施方案。具体研究结果如下：一、利用单轴静电纺丝技术,控制制备出实心和中空氧化锌基纤维材料：(1)实心纤维：以PVP、Zn(AC)2为原料,分别以DMF、DMF/H2O为溶剂,经条件优化后合成了形貌良好的Zn(AC)2/PVP复合纤维,详细研究了高分子浓度,电压,纺丝距离等参数对纤维形貌的影响。经后期烧结分别形成了较为连续的氧化锌实心长纤维和棒状短纤维；以DMF/C2H5OH为溶剂,PVP、Zn(AC)2, PdCl2为原料合成了贵金属掺杂的Pd-ZnO纤维材料。(2)中空纤维：利用简单易操作的单轴静电纺丝技术,以PVP、Zn(AC)2为原料,DMF和水作为溶剂,乙醇作为相分离促进剂,经纺丝、烧结后合成了形貌良好的中空氧化锌纳米纤维。在此基础上以PVP、Zn(AC)2、SnCl2为原料,以DMF/乙醇作为溶剂,乙酸乙酯作相分离促进剂,经纺丝、烧结后首次制备出SnO2-ZnO中空氧化锌纳米纤维。该法操作简单,避免了同轴静电纺丝制备中空纤维材料过程中装置复杂,内层溶剂选择困难,后期处理繁琐的缺点,有利于提高中空纤维的产量,为进一步实现工业化奠定基础。二、研究了单轴静电纺丝技术制备中空纤维的机理和影响因素：利用FESEM、TEM等测试手段对氧化锌基中空纤维产物微观形貌进行了观察,确定纺丝后所得复合纤维在烧结前为实心结构,中空纤维是在后期烧结过程中形成的。通过对实验现象的总结和实验数据的归纳分析得知,溶剂的选择和聚合物浓度对中空纤维形成有直接影响：在溶剂的选择上,一方面应能有效的溶解无机盐及聚合物,形成均一、稳定的纺丝液,另一方面,溶剂中应存在促进金属离子向纤维表面迁移的因素,为后期煅烧后中空结构的形成打下基础。另外,聚合物的浓度也需要严格掌控,既不能在纺丝过程中阻碍纺丝液中金属离子的迁移,又要有效束缚金属离子,能够在纤维外表面形成高分子层的硬壳结构,烧结后形成致密氧化物层,防止中空结构的塌陷。相关研究为揭示单轴静电纺丝技术制备中空纤维提供理论依据。三、制备出4种性能突出的气敏元件。(1)氧化锌实心长纤维制备的气敏元件酒敏特性突出,最佳工作温度为310℃,当乙醇浓度为10,50,100,150,200ppm时,灵敏度值分别为9,17,32,39,48,响应时间为8-11秒,恢复时间为12-15秒,选择性和稳定性均良好,可应用于乙醇蒸气的检测,防止燃爆事故的发生,也可用于机动车驾驶人员及其他风险作业人员的酒后监督检测。(2)氧化锌中空纳米纤维制备的气敏元件对丙酮气敏性能突出。测试结果显示,该材料的最佳工作温度仅为220℃,丙酮气体浓度为1ppm、10ppm、20ppm、30ppm、50ppm、70ppm、100ppm、150ppm和200ppm时,灵敏度值分别为7.1、19.2、25.6、32.3、41.3、49.9、67.7、79.2和87.9,响应时间约为11-17s,恢复时间约为7-15s,比实心氧化锌纤维及文献报道的其他丙酮气敏材料工作温度低,灵敏度高,可在较低工作温度下对低浓度丙酮进行检测。(3)通过适量SnO2的掺杂来增加ZnO中空纤维表面活性吸附点,并在纤维表面形成n-n结异质界面,从而改善氧化锌纳米器件气敏性能。其中,Sn02掺杂量为50at.%时,元件对甲苯的增敏现象突出,在最佳工作温度190℃时,对浓度为1,5,10,50,100和300ppm的甲苯气体的灵敏度值分别为2.1,4.1,7.3,15.6,26.5和50.2,响应时间在6-11s范围内,恢复时间在12-23s范围内,选择性较好,该性能较纯ZnO中空纤维材料有了明显的提高,有望研制成实用型甲苯气敏元件。(4)贵金属Pd的适量掺杂通过电子增敏效应改善了氧化锌基体材料对CO的气敏性能,0.5wt.%Pd-ZnO纳米纤维在220℃的工作温度下对1,3,5,10,20ppm CO气体的灵敏度值分别为2,2.6,3.1,5和5.5,响应时间为25-29s,恢复时间为12-17s。该材料为在相对低的工作温度下对低浓度CO气体进行检测提供了可能。四、分析了材料微观结构对气敏性能的影响(1)一维纳米材料在高温煅烧后仍能保持自身的形状和尺寸,并形成较多的气体通道,进而增大有效比表面积,是其气敏特性优于零维纳米粉体的主要原因,而纳米纤维突出的气敏性能与其长径比较大,一维材料的优势更为明显有关。(2)中空结构材料的内外表面均可利用,有效活性部位多,便于气体的吸附和电子的积累；而且表面粗糙多孔,内部中空,可以形成较多的气体通道,有利于电子的有向传导。此外,中空纤维同时具有一维材料不易团聚的稳定构型和理想的结晶表面等优点。这些特点使中空纤维气敏元件具备灵敏度高,工作温度低且稳定性好的特点。综上所述,控制材料形态,制备形貌可控,尺寸均一的纤维纳米材料(尤其是一维中空纳米纤维),以及对基体材料进行合适的掺杂是改善材料的气敏性能的有效途径。静电纺丝技术可以为设计和构筑有理想性能的一维纳米结构材料提供一个强有力的平台,既可以有效地控制ZnO基纳米纤维的结构,又能方便地对ZnO纳米纤维进行掺杂、复合等改性处理,这种结构与性能间的耦合效应,增强了ZnO基纳米纤维在传感器领域的应用价值。此外,论文对材料结构形成机理和气敏机理的探讨为从材料设计角度提高氧化物的气敏性能提供了实验和理论的依据。