石墨烯因其對(duì)低濃度氣體的高敏感性而備受矚目,但選擇性較差限制了其在高性能氣體傳感器中的應(yīng)用。采用納米復(fù)合材料,即將不同的金屬硫化物與石墨烯或其衍生物相結(jié)合,是解決這一問題的理想方法。這類復(fù)合材料的開發(fā),為實(shí)現(xiàn)具有更強(qiáng)檢測(cè)能力的氣體傳感器鋪平了道路,尤其是在提高氣體選擇性方面。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道,近期,國立臺(tái)北科技大學(xué)(National Taipei University of Technology)、印度拉夫里科技大學(xué)(Lovely Professional University)、北古吉拉特大學(xué)(Hemchandracharya North Gujarat University)等機(jī)構(gòu)的研究人員在Sensors International期刊上發(fā)表了題為“Graphene-metal sulfide composite based gas sensors for environmental sustainability: A review”的綜述文章,系統(tǒng)地描述了基于石墨烯-金屬硫化物納米復(fù)合材料的氣體傳感器及其在有害氣體檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)展。
圖1 基于石墨烯-金屬硫化物復(fù)合材料的氣體傳感器用于檢測(cè)各種有害氣體的示意圖
氣體傳感用金屬硫化物的合成方法
氣體傳感用金屬硫化物的合成通常采用從“氧化物到硫化物”的轉(zhuǎn)變策略,包括電化學(xué)、微波輔助、水熱/溶劑熱、濕化學(xué)、球磨、CVD、靜電紡絲、沉淀、溶膠-凝膠和化學(xué)還原等多種方法。其中,水熱/溶劑熱法是制備金屬硫化物最常用的方法。
圖2 水熱法合成的In2O3/MoS2復(fù)合材料在乙醇?xì)怏w傳感中的應(yīng)用
基于石墨烯-金屬硫化物復(fù)合材料的氣體傳感器
材料合成技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了氣體傳感器性能的提升。研究表明,基于石墨烯及其衍生物與各種金屬硫化物的氣體傳感器,具有增強(qiáng)的傳感性能,這些金屬硫化物包括硫化鉬(MoS2)、硫化錫(SnS2)、硫化鎢(WS2)、硫化鎘(CdS)等。通過對(duì)各種性能參數(shù)的氣體傳感器進(jìn)行性能對(duì)比評(píng)估,結(jié)果顯示了基于石墨烯-金屬硫化物復(fù)合材料的氣體傳感器在有害氣體檢測(cè)方面具有顯著的優(yōu)勢(shì),其檢測(cè)限和濃度分別低至0.6 ppb和0.05 ppm。
圖3 基于石墨烯-金屬硫化物復(fù)合材料的氣體傳感器開發(fā)示意圖
(1)基于MoS2-石墨烯復(fù)合材料的氣體傳感器
MoS2-石墨烯復(fù)合材料充分利用了兩種成分的獨(dú)特性能,可高效檢測(cè)氣體。MoS2-石墨烯復(fù)合材料成分靈活,可精確定制以識(shí)別特定氣體,確保了其出色的選擇性和較低的交叉敏感性。這種復(fù)合材料的快速響應(yīng)和恢復(fù)特性使得實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變得更加簡易,其固有的機(jī)械穩(wěn)定性和化學(xué)耐久性也確保了氣體傳感器的長期使用壽命和可靠性。
圖4 利用MoS2-石墨烯復(fù)合材料開發(fā)的高性能NO2氣體傳感器
(2)基于SnS-石墨烯復(fù)合材料的氣體傳感器
SnS-石墨烯復(fù)合材料基于每種組成材料的獨(dú)特性能,在氣體傳感方面展現(xiàn)出顯著的協(xié)同優(yōu)勢(shì)。這種復(fù)合材料巧妙地結(jié)合了SnS的反應(yīng)性和石墨烯的化學(xué)穩(wěn)定性,形成了一個(gè)促進(jìn)電子傳輸和氣體吸附的界面,進(jìn)而顯著增強(qiáng)了氣體檢測(cè)的響應(yīng)性。SnS-石墨烯復(fù)合材料不僅能夠提升氣體傳感的靈敏度和選擇性,而且由于結(jié)合了石墨烯的機(jī)械柔韌性和SnS的機(jī)械強(qiáng)度,從而表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和長期使用壽命。
圖5 基于SnS-還原氧化石墨烯復(fù)合材料開發(fā)的丙酮?dú)怏w傳感器
(3)基于WS2-石墨烯復(fù)合材料的氣體傳感器
在氣體傳感應(yīng)用中,石墨烯與WS2的結(jié)合也具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。這兩種材料之間的協(xié)同效應(yīng)發(fā)揮了每種材料的優(yōu)勢(shì):石墨烯的高導(dǎo)電性能夠增強(qiáng)氣體傳感的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力,WS2的優(yōu)異吸附能力能夠提高對(duì)特定氣體的選擇性?;赪S2-石墨烯復(fù)合材料的氣體傳感器能夠有效檢測(cè)和分辨低濃度氣體,并提供快速的響應(yīng),展現(xiàn)出對(duì)氣體檢測(cè)技術(shù)革新的潛力。
圖6 利用WS2-石墨烯氣凝膠復(fù)合材料開展的NO2傳感研究
(4)基于CdS-石墨烯復(fù)合材料的氣體傳感器
CdS與石墨烯的協(xié)同組合可將二者的獨(dú)特性能深度結(jié)合,從而實(shí)現(xiàn)氣體傳感器的卓越性能。這種復(fù)合材料利用CdS和石墨烯與各種氣體的不同親和性,不僅顯著提升了靈敏度,還實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的選擇性。石墨烯的快速電子傳輸能力和CdS的快速吸收特性共同促進(jìn)了快速的響應(yīng)時(shí)間,并極大地提高了選擇性。此外,CdS與石墨烯的結(jié)合還確保了穩(wěn)定性和彈性,其中,石墨烯充當(dāng)了一道防護(hù)屏障,能有效抵御環(huán)境侵蝕,延長了氣體傳感器的使用壽命。
圖7 利用CdS/CdO-還原氧化石墨烯復(fù)合材料開展的NO2傳感研究
(5)基于其它金屬硫化物-石墨烯復(fù)合材料的氣體傳感器
在氣體傳感器研究方面,還有多項(xiàng)關(guān)于其它金屬硫化物-石墨烯復(fù)合材料的研究,包括硫化鋅(ZnS)、硫化鈷(CoS)和硫化鎳(NiS)等金屬硫化物。例如,Yu等人驗(yàn)證了基于ZnO@ZnS-石墨烯復(fù)合材料的氣體傳感器對(duì)乙醇具有出色的響應(yīng)。Chen等人利用ZnS/N-石墨烯復(fù)合材料成功開發(fā)出一種便攜式NO2傳感器,并驗(yàn)證了其有效性。
綜上所述,石墨烯-金屬硫化物納米復(fù)合材料在氣體傳感領(lǐng)域取得了快速的發(fā)展,開創(chuàng)了氣體傳感技術(shù)的新時(shí)代。這些先進(jìn)材料的集成有望徹底顛覆氣體檢測(cè)技術(shù),為人類提供更清潔、更安全的環(huán)境。
審核編輯:劉清
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氣體傳感器
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原文標(biāo)題:綜述:基于石墨烯-金屬硫化物納米復(fù)合材料的氣體傳感器
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