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二硫化钼纳米片—钯纳米粒子复合物室温下高灵敏检测氢气

氢气(H2)作为一种丰富又清洁的能源,其的使用大大降低了对化石燃料的依赖;然而,氢气是一种无色、无味、易燃易爆的气体,当在空气中达到一定浓度时会造成一定的安全隐患。目前,金属氧化物传感器能够有效地检测氢气。然而它们需要高的操作温度,这不仅增加了能源的消耗,而且氢气易燃的特点带来了安全隐患。因此,开发能在室温下可靠检测氢气的技术有着高度的需求。

二硫化钼纳米片—钯纳米粒子复合物室温下高灵敏检测氢气

(a)MoS2纳米片及MoS2-Pd对50000 ppm H2的响应比较,(b)MoS2-Pd的I-V表征,(c)MoS2-Pd对不同浓度H2的响应,(d)MoS2-Pd对不同浓度氢气的恢复时间和传感响应,(e)热处理时间对MoS2-Pd传感性能的影响,(f)MoS2-Pd对氢气、氨气、丙酮和乙醇检测灵敏度比较。

近年来,二硫化钼(MoS2)凭借其大小可调的能带间隙,在电学及气体检测方面受到了研究领域的关注。美国加州大学圣地亚哥分校Sungho Jin课题组利用温和溶剂剥离的合成法制备了MoS2纳米片,并进一步采用简单的滴落涂布法(MoS2-PdCl2溶液)及热处理,得到MoS2-Pd复合材料。这种复合材料具备高的比表面积和低的背景电荷载体密度,能够高灵敏地检测H2研究发现MoS2-Pd复合材料传感器在检测10-50000 ppm范围内的氢气响应时间和恢复时间分别是40 s和83 s。同时,研究人员研究了热处理的时间对检测H2敏感性能的影响,随着热处理时间的延长,恢复时间降低至28 s。此外,研究发现MoS2-Pd比石墨烯-Pd复合材料表现出更优异的传感性能。为了解释MoS2-Pd复合材料的敏感机制,研究者在所构筑的场效应晶体管上对电子传输进行了研究。研究结果表明Pd纳米粒子在MoS2上有p-掺杂效应,从而引起部分电子的消耗。研究者认为在没有H2存在的情况下,Pd的功函高于MoS2的功函;当有H2存在时,Pd的功函降低,使MoS2消耗的电子恢复,从而引起总电阻的降低。

该MoS2-Pd复合材料合成方法简单、价格低廉,对于制备廉价高灵敏性的化学传感器具有巨大的潜力,也为今后进一步发展检测危险气体提供了实用的前景。其相关研究成果已发表在Advanced Science(DOI: 10.1002/advs.201500004)上。

特邀撰稿人

二硫化钼纳米片—钯纳米粒子复合物室温下高灵敏检测氢气黄行九:研究员,智能所仿生传感中心主任,中国科学院合肥物质科学研究院。课题组近年来以新型功能微纳结构的设计和制备为基础,结合电学、电化学、光学等方法,系统开展固体表面、固/气和固/液界面的结构与性质关系的应用基础研究。

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二硫化钼纳米片—钯纳米粒子复合物室温下高灵敏检测氢气

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