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文献名称
The gas sensor utilizing polyaniline/ MoS2nanosheets/ SnO2 nanotubes for the room temperature detection of ammonia
作者信息
Ao Liu a, Siyuan Lv a, Li Jiang a, Fangmeng Liu a, Lianjing Zhao a, Jing Wang a, Xiaolong Hu b, Zijie Yang a, Junming He a, Chenguang Wang a, Xu Yan a, Peng Sun a, Kengo Shimanoe c, Geyu Lu a
a State Key Laboratory of Integrated Optoelectronics, Key Laboratory of Advanced Gas Sensors, College of Electronic Science and Engineering, Jilin University, 2699 Qianjin Street, Changchun, Jilin Province 130012, China
b Shenzhen Oradar Technology Company Limited, Shenzhen, 518063 Guangdong, China
c Kyushu University, 6-1 Kasuga-koen, Kasuga, Fukuoka, 816-8580, Japan
文献信息
期刊：Sensors and Actuators: B. Chemical
IF:8.4
DOI:10.1016/j.snb.2021.129444
日期：2021-01-08
文献亮点
Polyaniline is composited with MoS2 nanosheet-coated electrospun SnO2 nanotubes.
A highly selective NH3 sensing platform is developed at room temperature.
Good sensing performance of excellent selectivity, high response, favorable repeatability and acceptable flexibility.
The mechanism connected with the enhancing properties was also investigated and presented.
主要内容
通过静电纺丝、水热途径和原位聚合技术，开发了一种基于聚苯胺（PANI）与MoS2纳米片包覆SnO2纳米管（PMS）复合的NH3气体传感器。通过 XRD、XPS、FESEM、TEM和BET获得了材料的形貌、纳米结构和成分。得益于纳米结构以及 PANI 和 MoS2/SnO2 的协同特性，所设计的 PMS 气体传感器在室温下对 100 ppm NH3 的响应信号为 10.9，检测限低至 200 ppb，具有良好的响应-恢复时间、重复性、可接受的灵活性和出色的选择性。这项研究为改性 PANI 提供了一个多功能平台，可用于室温下高选择性检测 NH3 气体传感器。
结果与讨论
如图a所示，SnO2为厚度为40 nm、直径为400 nm的空心管状结构。且这些空心纳米管是由SnO2纳米颗粒亚基组成的。从图b可以观察到MoS2/SnO2的FESEM图像，MoS2纳米片被涂覆在SnO2纳米管表面。这种纳米结构提供了丰富的与聚苯胺接触的活性位点，可以进一步提高气敏性能。对于PMS而言，纯聚苯胺呈现出直径约50 nm的纳米纤维网状结构（图c），与MoS2/SnO2复合后，聚苯胺在MoS2/SnO2表面原位聚合(图d)。PMS的TEM图像进一步证明了在MoS2/SnO2上聚合聚苯胺的成功合成(图e)。此外， HRTEM图像(图f)中可以观察到，0.35 nm和0.63 nm的晶面间距分别对应于SnO2的(110)面和MoS2的(003)面。图g-l为观察到的元素映射结果，表明所有元素都分布在整个复合材料中。以上表征均表明了在MoS2/SnO2上聚合聚苯胺是成功合成的。
PMS的BET比表面积利用氮吸附等温线分析。结果表明，PMS的BET比表面积为49.2 m2 g-1，有利于NH3的吸附。如图b所示，通过BJH方法计算得到孔径约为3.7 nm。此外，PANI和MoS2/SnO2的表面积分别为51.7 m2 g-1和69.1 m2 g-1。虽然没有因为PANI覆盖在MoS2/SnO2上而增加表面积，但MoS2/SnO2的大表面积仍然可以提供更高的比表面积来与PANI连接，从而产生更多的p-n结，从而增强了气敏性能。
PANI、MoS2/SnO2和PMS传感器在24±2℃条件下对NH3在0.5 ppm至100 ppm浓度范围内的连续响应曲线可见上图a。可以看出，随着NH3浓度的增加，响应增大，其中PMS传感器对100 ppm NH3的响应最高为10.9，是PANI传感器的3.1倍(3.5)。由于PANI具有良好的导电性，PANI和PMS传感器的Ra远低于MoS2/SnO2传感器(图b)。PMS传感器对NH3的检测限(LOD)可低至200 ppb。图d显示PMS传感器在24±2℃条件下对20 ppm NH3的响应时间和恢复时间分别为21 s和130 s，这有利于24±2℃条件下氨气的快速检测。相对湿度是气体传感器在实际应用中不可缺少的条件。因此，为了研究湿度对气体传感的影响，PMS传感器在相对湿度从20% RH到80% RH的范围内暴露于50 ppm的NH3中(图e)。由于水的质子效应，PMS传感器的电阻略有下降，但随着相对湿度的升高，PMS传感器的响应增大。可能的原因是氨与表面的水分子反应生成铵离子和氢氧化物离子。生成的氢氧根离子的去质子化速率大于NH3，它从酸化的聚苯胺中夺取质子，从而降低了聚苯胺的掺杂程度，导致电阻增大，即响应增大。这证明了PMS传感器在高湿大气环境中的应用潜力。
PMS传感器的气体响应明显高于PANI传感器，可能是以下原因造成的。首先，PANI和MoS2之间p-n异质结的形成有效地改善了气体响应(图b和c) ，PANI是p型而二硫化钼是n型半导体。当PANI覆盖在MoS2上时，由于两者之间的载流子浓度梯度，MoS2中的电子和PANI中的空穴相互扩散，直至达到动态平衡，最终在PANI和MoS2的界面处形成耗尽层。NH3分子一旦暴露于NH3中，就会从PANI中捕获质子，导致PANI空穴浓度降低，使耗尽层变厚，即NH3中的电阻增加。因此，根据响应的定义(S = Rg/Ra)， p-n结形成引起的电阻增加显著增强了NH3气体的灵敏度。聚苯胺与SnO2的相互作用可以提高气敏性能，但在聚苯胺与MoS2纳米片包覆的SnO2纳米管复合体系中，SnO2纳米管被MoS2纳米片均匀覆盖。因此，大部分聚苯胺与MoS2接触，只有少量与SnO2接触形成p-n结，从而改善了气体响应。此外，电纺丝SnO2空心纳米管防止了MoS2的堆积，并为MoS2的合成提供了高比表面积的模板。电纺丝SnO2空心纳米管被均匀覆盖在二维MoS2薄片上的结构提供了与聚苯胺连接的高比表面积，从而产生更多的p-n结，从而增强了PMS传感器的气敏性能。
转自：“科研一席话”微信公众号
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