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金属氧化物半导体气体传感器具有结构简单，响应值高，响应速度快的优点，但存在稳定性较差、工作温度较高、选择性不好等问题。石墨烯等新型碳材料具有电导率高等优势，但碳材料单独作为气体传感器作用有限。发挥金属氧化物半导体和石墨烯等新型碳材料的各自优势，使二者协同作用优势互补是新型传感器的研究思路之一。本文的主要研究内容包括:一、基于逾渗理论模型，预测了p-型rGO和n-型SnO2材料复合后，混合物发生n-p相变的临界浓度范围。采用物理混合方法制备了rGO/SnO2复合物，利用敏感材料对还原性气体响应阻值的变化规律为判断依据，实验确定了复合敏感材料n-p转变时的临界浓度范围;二、碳材料(非定性碳/rGO)包裹Co3O4新型纳米复合纤维结构材料的制备和表征，并通过原位氧化刻蚀法调控纳米纤维的微观结构和电导性能，优化氨气传感性能;三、利用第一性原理密度泛函理论计算研究了非定性碳/rGO包裹Co3O4纳米复合纤维材料传感器的气敏响应机理。
基于逾渗理论构建模型，引入了二维材料rGO的结构因素，预测了rGO和SnO2材料复合后发生n-p相变的临界浓度范围。在这一范围内制备了不同rGO质量分数的rGO-SnO2复合物气体传感器。利用复合敏感材料对还原性气体氨气的阻值变化规律作为判断依据，在实验中确定复合物传感器n-p响应行为的转变临界浓度范围，并发现了复合物传感器对氨气的响应由n-型向p-型转变后趋于稳定且响应速度提高，这一转变过程归因于氨气在二维材料rGO表面上的掺杂作用。其中对NH3的n-型响应来自于复合材料中的n-型SnO2，而p-型rGO可增强复合敏感材料的室温响应信号;增强的p-型响应归因于n-型SnO2和p-型rGO之间形成p-n结，以及SnO2纳米颗粒的穿插作用防止了rGO片层的团聚。p-型响应行为表现出对氨气更好的气敏特性，这对进一步设计基于rGO-金属氧化物的高性能敏感复合材料具有良好的指导意义。
采用静电纺丝法制备了非定型碳/rGO包裹Co3O4纳米复合纤维材料。并采用原位氧化刻蚀法进一步系统改善了形成的纳米复合纤维材料的微观形貌和电导性能，通过精细的调控复合物中表面包裹的非定型碳的含量，优化了复合纳米纤维传感器的氨气响应性能。优化后的复合纤维气体传感器对1-100ppm NH3表现出增强的响应值和更快的响应速度(～20s:50ppm)，对多种可能干扰气体如甲醇、乙醇、甲醛、甲苯、苯、丙酮和水表现出更好的选择性。所研发的传感器在四年时间表现出良好的稳定性。通过原位傅里叶红外技术进一步揭示了传感器在响应过程中水参与的催化氧化转换机制。
通过第一性原理密度泛函理论计算，建立了rGO/Co3O4(110B)对O2、H2O和NH3分子的吸附模型。通过分析模型优化后得到的能量、态密度、电荷转移量等计算结果，发现O2分子对NH3分子的吸附有促进作用。同时发现碳材料对Co3O4(110B)不同的覆盖度会影响对NH3的吸附，在覆盖度较低时，rGO/Co3O4(110B)界面的耦合作用使得所形成的Co-C键对NH3的吸附性能增强。并且由于耦合作用，该Co-C键上的C原子对NH3具有更强的吸附能力，理论上验证了含有rGO的样品对氨气具有更高响应值的原因。通过仿真分析H2O分子对NH3吸附的影响，发现H2O分子对NH3的吸附存在促进和阻碍双重作用。当易吸附NH3分子的Co-C吸附位与NH3进行吸附时，H2O分子和NH3分子促进了彼此的解离吸附，带来较大的电荷转移量，证明了H2O分子在碳包裹的Co3O4纳米复合纤维材料对氨气的催化氧化转换机制中的重要作用。
基于逾渗理论构建模型，引入了二维材料rGO的结构因素，预测了rGO和SnO2材料复合后发生n-p相变的临界浓度范围。在这一范围内制备了不同rGO质量分数的rGO-SnO2复合物气体传感器。利用复合敏感材料对还原性气体氨气的阻值变化规律作为判断依据，在实验中确定复合物传感器n-p响应行为的转变临界浓度范围，并发现了复合物传感器对氨气的响应由n-型向p-型转变后趋于稳定且响应速度提高，这一转变过程归因于氨气在二维材料rGO表面上的掺杂作用。其中对NH3的n-型响应来自于复合材料中的n-型SnO2，而p-型rGO可增强复合敏感材料的室温响应信号;增强的p-型响应归因于n-型SnO2和p-型rGO之间形成p-n结，以及SnO2纳米颗粒的穿插作用防止了rGO片层的团聚。p-型响应行为表现出对氨气更好的气敏特性，这对进一步设计基于rGO-金属氧化物的高性能敏感复合材料具有良好的指导意义。
采用静电纺丝法制备了非定型碳/rGO包裹Co3O4纳米复合纤维材料。并采用原位氧化刻蚀法进一步系统改善了形成的纳米复合纤维材料的微观形貌和电导性能，通过精细的调控复合物中表面包裹的非定型碳的含量，优化了复合纳米纤维传感器的氨气响应性能。优化后的复合纤维气体传感器对1-100ppm NH3表现出增强的响应值和更快的响应速度(～20s:50ppm)，对多种可能干扰气体如甲醇、乙醇、甲醛、甲苯、苯、丙酮和水表现出更好的选择性。所研发的传感器在四年时间表现出良好的稳定性。通过原位傅里叶红外技术进一步揭示了传感器在响应过程中水参与的催化氧化转换机制。
通过第一性原理密度泛函理论计算，建立了rGO/Co3O4(110B)对O2、H2O和NH3分子的吸附模型。通过分析模型优化后得到的能量、态密度、电荷转移量等计算结果，发现O2分子对NH3分子的吸附有促进作用。同时发现碳材料对Co3O4(110B)不同的覆盖度会影响对NH3的吸附，在覆盖度较低时，rGO/Co3O4(110B)界面的耦合作用使得所形成的Co-C键对NH3的吸附性能增强。并且由于耦合作用，该Co-C键上的C原子对NH3具有更强的吸附能力，理论上验证了含有rGO的样品对氨气具有更高响应值的原因。通过仿真分析H2O分子对NH3吸附的影响，发现H2O分子对NH3的吸附存在促进和阻碍双重作用。当易吸附NH3分子的Co-C吸附位与NH3进行吸附时，H2O分子和NH3分子促进了彼此的解离吸附，带来较大的电荷转移量，证明了H2O分子在碳包裹的Co3O4纳米复合纤维材料对氨气的催化氧化转换机制中的重要作用。