日本东北大学NML综述 | 钼基气体传感器的性能及展望

Advanced Strategies to Improve Performances of Molybdenum-Based Gas Sensors

Angga Hermawan, Ni Luh Wulan Septiani, Ardiansyah Taufik, Brian Yuliarto*, Suyatman*, Shu Yin*

Nano-Micro Letters (2021)13: 207

https://doi.org/10.1007/s40820-021-00724-1

本文亮点

1对提高钼基纳米结构气敏性能的各种先进策略进行了总结。
2. 详细讨论了这些策略能增强气敏特性的合理机制
3. 钼基气体传感设备商业化的未来发展和挑战提出了展望和建议。
内容简介

随着社会经济的快速发展以及工业化、城市化水平的不断提高,大气污染问题日益严峻。开发实时、高效的气体传感器,有助于危险气体的实时预警,灾害事故现场防护设备失效指示,以及污染气体的有效治理等。基于半导体纳米材料的气体传感器表现出了优异的传感响应性及选择性。其中,α-氧化钼(α-MoO₃)和硫化钼(MoS₂)因具有独特的分层二维结构,能够提供更多的吸附位点,可使灵敏度大幅提升。因此,钼基气体传感器的制备及性能提升成为近几年的研究热点。日本东北大学Shu Yin和印度尼西亚万隆理工学院Suyatman和Brian Yuliarto等在本文中综述了α-氧化钼(α-MoO₃)和硫化钼(MoS₂)作为气敏传感材料取得的重大进展,介绍了这些材料的基本晶体结构及其共同特性,重点介绍了优化α-MoO₃和MoS₂在检测有害污染物、危险气体,甚至呼气监测等的气敏性能的最新先进策略。最后,总结了目前这一领域所面临的重大挑战,并就钼基气体传感器的未来发展进行了展望。
图文导读

I 氧化钼(MoO)气敏材料

氧化钼(MoO₃)是一种n型金属氧化物半导体,带隙范围为2.39至2.9 eV。这种氧化物具有独特的光学和电子特性、层状结构和良好的催化性能,适用于光器件、能量存储和催化剂。通过形貌调控、元素掺杂和异质结构等对MoO₃进行改性,从而提高其作为气体传感器的性能。

图1. α-MoO₃晶体结构。

1.1 形貌调节 

形貌调节对于提高气体传感器性能至关重要,因为它决定了表面反应的活性位点。形貌调节可以降低传感器最佳温度,可以提高传感器稳定性。

图2. α-MoO₃形貌调节。

1.2 贵金属表面功能化

通过在金属氧化物表面引入贵金属,可以提高气体传感器的性能。除了作为活性位点的作用外,具有高催化活性的贵金属还会降低气体的活化能,导致吸附率增加和操作温度降低。

图3. 贵金属在MoO₃之间的费米能级差异在界面处产生肖特基势垒。

1.3 元素掺杂

除了贵金属,其他金属也可用于提高MoO₃传感性能。例如,少量的铁 (Fe)、镍(Ni)、锌(Zn)和铬(Cr)显著提高传感器性能。

图4. Fe掺杂的MoO₃传感器。

1.4 异质结耦合 

界面修饰或异质结构可以利用两种不同的材料特性的协同作用,实现优异的性能。

图5. p型金属氧化物和n型MoO₃接触前后的能带示意图。

II 二硫化钼(MoS₂)气敏材料

MoS₂具有独特的可调光学带隙(1.2-1.8 eV)和电子结构。MoS₂的表面化学性质对于提高气敏特性至关重要。不同的MoS₂相其表面活性位点也会不同。在1 T-MoS₂中,表面活性位于缺陷和活化的边面。因此,1 T-MoS₂更适用于化学吸附技术,例如催化剂和传感器。

图6. MoS₂晶体结构。

2.1 深入了解MoS₂的气体传感机制

图7. 单层MoS₂与不同气体的差分电荷密度。

2.2 形貌调节

大多数合成的MoS₂表现出单层、少层或多层结构。传感材料形貌调节可以通常优化气体吸附/脱附过程,例如具有更多活性位点、高表面积、孔隙率或表面缺陷,从而改善气敏特性。

图8. 二维单层/单层MoS₂气敏性能。

2.3 1T—2H相位控制

2H-MoS₂具有局限性,主要是由于有限的活性位点和小的吸附能。1 T的吸附能和1 T MoS₂的分子吸附能力均显着高于2H-MoS₂。

图9. 1 T/2H MoS₂的气敏性能。

2.4 贵金属表面功能化

贵金属表面功能化气敏材料显著提高了响应值,改善/调节了选择性,并降低了工作温度。

图10. Au@MoS₂异质结的能带变化以及气敏响应值。

2.5 元素掺杂

许多的原子可以用来掺杂MoS₂,用于提高MoS₂的气体传感器性能。外来原子取代硫或钼有望提高MoS₂的气体吸附能力。

图11. Zn掺杂MoS₂。

2.6 异质结耦合

两种不同的材料接触时会形成异质界面,称为异质结。异质结构可以调节能带结构,扩大过渡层,协同表面反应等。因此,异质结构耦合是优化MoS₂气敏性能的先进策略之一。

图11. MoS₂/SnS₂异质结气体传感。
III 其他钼基气体传感器材料

MoSe₂和MoTe₂属于同一族,与MoS₂相似,具有高纵横比的二维层状结构,MoSe₂具有独特的物理和电子特性,例如非常窄的带隙(块体材料为1.1 eV,单层结构为1.5 eV)、在200-800 nm处具有良好的全光谱吸收、低内阻和高载流子迁移率,二维结构的MoSe₂表现出超大的比表面积和丰富的表面吸附位点,这些位点影响气敏性能。

IV 结论与展望

本综述全面总结了α-MoO₃和MoS₂气体传感器的各种改进策略。通过形貌调控策略,包括0D(量子点)、1D(单层纳米片或纳米片)、2D(纳米棒、纳米管、纳米纤维、纳米带)和3D分层结构(微球、中空纳米结构)扩大它们的表面积,提高气体吸附/脱附过程和催化反应。此外,表面功能化、元素掺杂和异质结构耦合能够显著改善气体传感性能。虽然这些优化策略可以优化α-MoO₃和MoS₂气敏特性,但仍然面临湿度,集成化等因素的挑战。总体而言,钼基气体传感器在气体污染物检测方面具有十分优异的性能,在传感设备技术引起极大的关注。这篇综述全面概述了最近优化钼基气体传感器的气体传感性能的策略,并展望了具有高检测能力的钼基气体传感器材料。
作者简介

Shu Yin

本文通讯作者

日本东北大学 教授

主要研究领域

纳米结构材料的形态控制、光催化材料、紫外-红外屏蔽智能窗材料、二维气敏材料、水热/溶剂热工艺、软化学合成等。

主要研究成果

任中国八所高校(兰州大学、大连理工大学、广西化工研究院、华侨大学、太原理工大学、四川大学、北京工业大学、北京科技大学)兼职教授。发表论560多篇研究论文,论文引用超过15004次,h-index=67。

Email: yin.shu.b5@tohoku.ac.jp

Suyatman

本文通讯作者

万隆理工学院 讲师

主要研究领域

气体传感器,染料敏化太阳能电池,固态物理。

Email: yatman@tf.itb.ac.id

Brian Yuliarto

本文通讯作者

万隆理工学院 教授

主要研究领域

气体传感器,薄膜和纳米技术,纳米孔材料,半导体,分析化学等。

Email: brian@tf.itb.ac.id

撰稿:《纳微快报(英文)》编辑部

编辑:《纳微快报(英文)》编辑部

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、Springer Nature合作开放获取(open-access)出版的英文学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, commentary, perspective, letter, highlight, news, etc),包括微纳米材料的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、吸波、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、SCOPUS、PubMed Central、DOAJ、CSCD、知网、万方、维普、超星等数据库收录。2020 JCR影响因子IF=16.419,在物理、材料、纳米三个领域均居Q1区(前10%)。2020 CiteScore=15.9,材料学科领域排名第4 (4/123)。中科院期刊分区:材料科学1区TOP期刊。全文免费下载阅读(http://springer.com/40820),欢迎关注和投稿。
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