提名意见

 　　我单位已对提名书及附件进行了认真审阅，确认全部材料真实有效，相关栏目均符合国家自然科学奖励的填写要求。

　　 该项目紧密围绕如何提升半导体氧化物纳米结构气体传感器的灵敏度、选择性、可靠性以及降低检测限和功耗等基础科学问题开展了深入和系统的研究。提出了采用低维、分等级和核壳结构半导体氧化物作为敏感材料提高传感器敏感性能的策略；发展了利用微纳异质接触和微量杂质原位掺杂功能改性技术提升灵敏度和选择性的增感方法；提出了利用紫外光辅助照射和调整器件结构实现传感器在室温下敏感特性改善的增感机制。在此基础上，开发了超灵敏环境气体传感器的材料体系并构建了大气环境监测物联网。该项目在基于半导体氧化物气体传感器研究方面取得了若干创新性成果。

    在项目实施期间，在Sens. Actuators B，Adv. Funct. Mater.等中科院1区杂志上发表86篇。项目的8篇代表性论文被诺贝尔化学奖推荐人、比利时皇家科学院院士，韩国科学院院士、世界材料领域排名前10的科学家以及化学传感器顶尖SCI期刊的副主编等同行在Chem. Rev.(IF=52.613)、Chem. Soc. Rev.(IF=40.182)、Adv. Mater.(IF=21.96)等高档次SCl期刊上他引1336次，单篇最高SCI他引495次，其中1篇为ESI高被引论文。

    提名该项目为国家自然科学奖二等奖。

项目简介

    该项目属于电子信息科学中的传感器领域。半导体气体传感器具有灵敏度高、选择性可调、全固态和信号易调理等优点，一直是本领域的前沿与热点。如何提高传感器灵敏度和选择性、降低功耗、实现常温工作和本质安全是拓展气体传感器在大气/微空间环境监测、工业/民生安全以及快速医疗诊断等领域应用的关键。面对传统块体敏感材料难以满足灵敏度和检测下限的要求，我们以提高半导体氧化物传感材料的识别功能、转换功能和敏感体利用效率为目标，以建立半导体氧化物微纳结构设计与优化策略（结构增感）→ 发展微纳尺度功能调控技术（改性增感）→ 提出紫外光激发增感新原理（光增感）为主线，突破了灵敏度和检测限的局限，同时实现传感器常温工作和本质安全。该项目围绕纳米结构半导体氧化物敏感材料的高性能化和多功能化，在微观结构设计、功能调控、增感新原理方面获得了创新性研究成果。主要科学发现如下：

1、提出高性能半导体氧化物微纳结构设计与优化策略。利用半导体氧化物的低维结构、分等级结构以及核壳结构构建了高效识别气体的微结构，显著提升了传感器的灵敏度和选择性。揭示了纳米传感材料的微观结构/形貌与传感功能的关联规律，确立了纳米传感材料的设计、制备与优化策略；

2、发展微纳尺度功能调控改性策略。利用半导体氧化物与不同表面修饰剂构筑微纳尺度异质接触，明显改善了半导体传感器的性能。发现了微纳尺度异质接触的增感本质在于提升了比表面积、反应活性、增大了接触势垒及调控了传感器电阻。异价阳离子掺杂的增感机制归因于载流子调控、表面氧空位密度的增大以及表面吸附氧浓度的提高。

3、提出了紫外光增感机制。构建了由敏感材料和光催化剂复合而成的新型传感材料体系，设计了平面背反射器件结构，实现了半导体气体传感器的室温工作和本质安全。

     该项目的8篇代表性论文被诺贝尔化学奖推荐人、比利时皇家科学院院士，韩国科学院院士、世界材料领域排名前10的科学家以及化学传感器顶尖SCI期刊的副主编等同行在Chem. Rev.(IF=52.613)、Chem. Soc. Rev.(IF=40.182)、Adv. Mater.(IF=21.96)等高档次SCl期刊上他引1336次，单篇最高SCI他引495次，其中1篇为ESI高被引论文。部分成果获2013年和2017年吉林省科学技术奖一等奖。第一完成人领导团队获批2013年教育部创新团队并滚动资助，获2006年国家杰出青年基金，该项目1位成员获2011年全国优秀博士论文指导教师，1位获2017年国家优秀青年基金。该项目培养1位博士生获全国百篇优秀博士论文，1位博士生获全国百篇优秀博士论文提名，2位博士生获吉林省优秀博士学位论文。

客观评价

（一）科学发现点一“利用半导体氧化物的低维纳米结构、分等级结构和核壳结构构建了高效识别气体的微纳结构材料体系，显著提升了传感器的灵敏度和选择性”

1、在半导体氧化物低维纳米结构方面：国际材料微结构领域知名学者，美国西北大学Vinayak Dravid教授在其文章[Adv. Mater., 2007, 19, 125-128, IF=21.96,代表性引文1]中引用代表性论文1，指出“纳米晶粒尺寸与传感器灵敏度有很强的相关性，并以我们的工作为例，指出随着晶粒尺寸的降低，传感器灵敏度显著提升”。印度国家化学实验室I. S. Mulla教授在其关于ZnO气敏特性的论文[Sens. Actuators B, 2007, 126, 382-386.]中引用了代表性论文1，以我们的工作为例，指出多晶氧化锌纳米颗粒的多孔性和晶粒尺寸对其气敏性能也有显著影响。

2、在分等级结构方面：印度马杜赖卡玛拉大学R. Saraswathi教授在其[J. Mater. Chem. A , 2014, 2, 394-401,代表性引文2]的论文中引用代表性论文2，认为我们利用分等级纳米结构α-Fe₂O₃构建了优异的乙醇和丙酮传感器具有代表性。世界材料科学领域排名前20的科学家、ACS Nano副主编、香港城市大学Andrey L. Rogach教授在其综述[Chem. Mater., 2014, 26, 123-133.]中引用与本项目相关的多篇论文并大篇幅描述了关于分等级结构SnO₂的设计及敏感特性的研究工作。俄亥俄州立大学S. A. Akbar教授在其关于比较各种结构SnO₂气敏特性的论文[Sens. Actuators B, 2012, 165, 13-18.]中引用了我们利用分等级微纳结构实现增感的相关工作，指出“采用特殊结构的敏感材料能够提升传感器的性能”，认为我们及其他研究组制备的分等级结构敏感材料优于传统低维纳米结构，在气体传感器及其它应用中具有明显优势。

3、在核壳结构方面：气体传感器顶尖杂志Sensors and Actuators B-Chemical的副主编、国际气体传感器领域知名学者、韩国高丽大学J. H. Lee教授在其[J. Mater. Chem. A , 2016, 4, 264-269,代表性引文3]和[RSC Adv., 2015, 5, 76229-76248.]中多次引用了代表性论文3的工作，指出我们的工作很具代表性和前沿性，且有希望用于构建高性能的传感器。印度鲁吉拉大学的P. Santanu博士在其综述性文章 [Nanoscale, 2015, 7, 19789-19873.]中多次引用并大篇幅报道了我们有关核壳结构敏感材料的设计与构筑，高度评价了我们所设计的敏感材料。

（二）科学发现点二“提出了微纳尺度异质接触和微量杂质掺杂的改性增感策略，明显改善半导体氧化物传感器的性能”

1、在微纳异质接触构建方面：韩国科学院院士、梨花女子大学J. Y. Yoon教授在其[Chem. Rev., 2015, 115, 7944-8000, IF=52.613,代表性引文4]综述文章中引用本项目多篇论文[含代表性论文4]，并大段介绍了利用半导体氧化物复合来构筑分等级异质结构以改善传感器选择性的工作，指出“其他半导体氧化物气体传感器对甲苯响应的同时，还对乙醇、丙酮、三乙胺和甲醇气体敏感，说明传感器对甲苯的选择性不突出，然而Wang等人构建的基于α-Fe₂O₃/NiO复合分等级结构的传感器对甲苯的选择性明显提升”。诺贝尔化学奖推荐人、欧洲科学院院士、比利时皇家科学院院士B. L. Su教授在其综述[Chem. Soc. Rev., 2016, 45, 3479-3563, IF=40.182,代表性引文5]中引用代表性论文5，指出利用各种金属离子掺杂和金属氧化物复合ZnO是一种调控电导实现传感器性能提升的有用方法。韩国仁荷大学S. S. Kim教授在其发表的论文[Chem. Comm., 2016, 52, 3832-3835.代表性引文6]中引用代表性论文6并指出利用半导体氧化物与石墨烯复合能够大幅度提升传感器性能，主要是因为异质结构和表面活性位点密度的增加。此外，阿联酋伯拉理工学院S. Swaminathan教授在其综述论文[Sens. Actuators B, 2015, 318, 160-183.]中引用代表性论文6，指出“利用金属氧化物和石墨烯复合是一种增强气敏特性的潜在方法”。

2、异价阳离子掺杂方面：沙特奈季兰大学M. M. Rahman教授在其论文[Biosens. Bioelectron., 2011, 28, 127-134.代表性引文7]中引用代表性论文7，以我们的工作为代表，指出基于掺杂半导体纳米结构的传感器具有高的响应，可以应用到大气或水中有毒污染物以及化工过程中污染物的检测。Nano-Micro Letters的主编、上海交通大学Y. F. Zhang教授在其论文[J. Mater. Chem., 2012, 22, 20038-20047.]中使用“innovative”(创新的)一词描述与本项目相关的掺杂提升传感器性能方面的工作：“innovative sensors with doped-nanomaterials have been successfully obtained and the sensing performance of these gas sensors has been greatly improved”。

（三）科学发现点三“提出了紫外光增感机制，构建了由敏感材料和光催化剂复合而成的新型传感材料体系，设计了平面背反射器件结构，实现了传感器的室温工作和本质安全”

    印度理工学院S. K. Ray教授在[Sci. Rep., 2014, 4, 6483(1-9), 代表性引文8]中引用本项目代表性论文8，指出紫外光照射为室温传感器的性能改善提供了新的方法。韩国光州科学技术院G. Korotcenkov教授在[Sens. Actuators B, 188, 2013, 709-728.]中引用了代表性论文8，指出紫外光增感是解决传感器功耗和本质安全的有效方法。沙特奈季兰大学A. Umar教授在其综述 [Nano-Micro Lett., 2015,7, 97-120.]中大段引用了代表性论文8的结果，指出Lu等人报道了紫外辐照室温工作的ZnO基光增感型NO₂传感器，该研究有效地缓解了ZnO基传感器在高温工作这一限制其商品化的缺陷，在紫外光照射下ZnO表面产生的光生电子与吸附NO₂气体相互作用提高了传感器的电阻，进而提高了传感器的响应。

代表性论文专著目录

主要完成人情况

1.姓名：卢革宇

排名：1

行政职务：院长

技术职称：教授

工作单位：吉林大学

完成项目时所在单位：吉林大学

对本项目技术创造性贡献：　本项目的负责人，提出了项目的总体学术思想，制定了总体研究方案，和项目组成员一起实施了研究方案。首次利用紫外光照射增感并提出增感机制，对发现点1、2、3做出了创造性贡献，是代表性论文8的第一作者，代表性论文3和4的通讯作者。自博士毕业以来，一直从事本项目直接相关的工作。

曾获国家科技奖励情况：无

2.姓名：张彤

排名：2

行政职务：无

技术职称：教授

工作单位：吉林大学

完成项目时所在单位：吉林大学

对本项目技术创造性贡献：本项目主要完成人之一，对发现点1和2做出了创造性贡献，是代表性论文2、5和6的通讯作者。

曾获国家科技奖励情况：无

3.姓名：徐甲强

排名：3

行政职务：副院长

技术职称：教授

工作单位：上海大学

完成项目时所在单位：上海大学，郑州轻工业大学

对本项目技术创造性贡献：本项目主要完成人之一，对发现点1和2做出了创造性贡献，是代表性论文1和7的第一作者和通讯作者。　

曾获国家科技奖励情况：无

4.姓名：孙鹏

排名：4

行政职务：无

技术职称：教授

工作单位：吉林大学

完成项目时所在单位：吉林大学

对本项目技术创造性贡献：本项目主要完成人之一，对发现点1和2做出了创造性贡献，是代表性论文3和4的通讯作者。自攻读博士学位以来，一直从事本项目直接相关的工作。

曾获国家科技奖励情况：无

5.姓名：刘森

排名：5

行政职务：无

技术职称：教授

工作单位：吉林大学

完成项目时所在单位：吉林大学

对本项目技术创造性贡献：本项目主要完成人之一，对发现点2做出了创造性贡献，是代表性论文6的通讯作者。

曾获国家科技奖励情况：无

合作人关系说明

    本人于2006年回到吉林大学，面向国家的重大需求和企业对传感技术的渴望，在组建传感器研究团队的同时，就与第二完成人张彤教授开展了密切合作，主要开展纳米半导体氧化物气体传感器和湿度（水气）传感器的研究。到目前为止，与第二完成人合作共同发表SCI检索论文35篇，其中项目起止时间内发表SCI论文14篇。第三完成人徐甲强教授所在的团队是国内较早开展气体传感器研究的课题组之一，在半导体氧化物纳米颗粒气体传感器及其机理方面开展较系统的研究。由于本人出国前就开展该方面的研究工作，为了进一步深入揭示半导体氧化物气体传感器敏感机理，因此，本人和第三完成人就机理方面的研究通过信息共享的方式，保持长期合作关系。第四完成人孙鹏是本人所指导的博士研究生，其毕业后留在本人领导的研究团队工作，我们共同开展半导体氧化物气体传感器的研究，第四完成人主要负责半导体氧化物微纳结构的制备和增感策略方面的研究，本人则负责敏感机理方面的研究。到目前为止，本人与第四完成人以共同通讯作者的身份合作发表SCI检索论文43篇，第四完成人为第一作者，本人为通讯作者发表SCI论文18篇。其中项目起止时间内共同通讯10篇，第四完成人为第一作者，本人为通讯作者16篇。第五完成人刘森教授，其博士后出站后进入张彤教授研究团队开展构建半导体氧化物与碳材料复合的气体传感器，目前与本人合作发表SCI论文8篇。可见，本项目各完成人是在不断深化研究过程中自然形成的长期合作关系。