具有分级中空结构的半导体金属氧化物纳米材料,拥有高比表面积、多孔活化的功能性壳层、振实密度低和潜在装载能力的结构特性,故而在药物输送、纳米反应容器、催化剂、化学传感器、锂离子电池以及能量转换和存储等领域具有极佳的性能优势和潜在应用价值。虽然研究人员成功利用微乳液法、模板法、奥斯瓦尔德熟化等方法构筑了不同半导体金属氧化物的多种中空纳米结构,但由于非球形模板稀少、高曲率表面的非均匀包覆,导致构建具有各向异性的非球形中空纳米结构仍然十分困难。本论文以半导体金属氧化物SnO_2为研究对象,面向非球形分级中空结构SnO_2高性能气体传感器的构建,基于自模板方法系统地设计合成了多种非球形分级中空结构的SnO_2纳米颗粒,揭示了SnO_2非球形分级中空结构的形成过程和生长机理,探索了非球形分级中空形貌/局部微结构与气敏性能的内在联系。本论文主要研究内容如下:(1)以ZnSn(OH)_6实心花状纳米片为自模板,制备了SnO_2多层壳花状中空纳米片,探究了SnO_2多层壳花状中空纳米片的形成过程和组装机理。基于该SnO_2微纳结构的气体传感器在300℃的最佳工作温度下,对丙酮气体具有良好的选择性,对10ppm丙酮气体的灵敏度为4.3,响应和恢复时间分别为0.9s和5.8s。该SnO_2纳米结构对丙酮气体的良好气敏特性可归因于其独特的微纳多孔结构,不但防止了SnO_2结构单元的无序团聚,而且其多片层表面的多孔结构与暴露的活性位点有利于气体的快速吸附和脱附。(2)以ZnSn(OH)_6单层中空立方体为自模板,通过退火-刻蚀合成工艺,合成了SnO_2三层中空立方体,其各壳层均是由尺寸约5nm的SnO_2纳米颗粒作为结构单元堆积组成的分级多孔结构。生长机制的研究揭示了空心立方的第三层结构形成的关键是Zn_2SnO_4相的受迫释放及Sn~(4 )离子的奥斯特瓦尔德熟化控制的溶解-重结晶过程。基于SnO_2三层中空立方体制备的气体传感器,在250℃的最佳工作温度下对甲苯具有良好的气体选择性,对20ppm甲苯气体的灵敏度高达38.7,响应和恢复时间分别为0.76s和6.1s,表明非球形中空结构和多达三层的高敏感壳层协同作用,有利于开发出高性能的气敏材料。(3)基于自模板方法经一步水热反应的过程,设计合成了由SnO_2超细纳米棒组装而成的中空立方体,其立方各面的棱长约400–800nm;作为结构单元的SnO_2超细纳米棒均为单晶结构,直径约5nm,由它们组装而成的壳层厚度约为130nm。基于水热合成时间,探究了SnO_2空心立方笼的形成过程和组装机理。基于这种SnO_2产物的气体传感器对于正丁醇气体具有快响应的特点,在310℃的最佳工作温度下,对100ppm正丁醇气体的灵敏度高达75.7,检测极限为0.2ppm,表明非球形的颗粒间接触面和分级结构中高活性超细纳米棒的结合,会明显提升气体传感器的气敏性能。