DOI:10.1021/acsami.0c05953
近年來，室溫柔性氣體傳感器因其無需加熱即可工作，并能產生具有長期穩定性的低成本、低功耗器件而得到了廣泛的研究。在此，通過設計活性材料的成分和結構，研究者報告了一種由二維MoS2納米片和嵌入CoS2納米粒子接枝的靜電紡碳納米纖維（CNF）網絡，它可以作為一種在室溫下工作的各種有毒有害氣體的柔性氣體傳感器。尤其，CNFs/CoS2/MoS2雜化膜對NO的選擇性高于NO2和CH4等其它氣體，選擇性系數（|SNO/SNO2|和|SNO/SCH4|）分別高達43和42（定義為兩種氣體之間的響應比率）。該傳感器在1-100 ppm的氣體濃度范圍內呈線性關系，并且在反復彎曲過程中具有穩定的響應。理論計算表明，MoS2可以通過NO選擇性地氮摻雜，而CoS2可以有效地捕獲NO分子，從而提高了選擇性和靈敏度。研究者通過協同設計制備的大面積柔性傳感器在生物和環境領域具有潛在的應用，可低成本、選擇性地檢測有毒或目標氣體。
圖1.分層CNFs/CoS2/MoS2復合纖維膜的制備，顯示出諸如大面積、柔性和易于加工成圖案的特征。（a）顯示制備過程的示意圖，包括ZIF-67的合成、混合PAN和ZIF-67的靜電紡絲、隨后的氧化、碳化和水熱步驟，以及最終混合產物的圖解。（b）大面積PAN/ZIF-67復合纖維膜沉積在直徑10厘米的玻璃培養皿中的數碼照片。（c）彎曲預氧化的PAN/ZIF-67復合膜和（d）彎曲碳化的CNF/Co復合膜。（e）CNFs/CoS2/MoS2復合膜切片。
圖2.CNFs/CoS2/MoS2復合膜的結構表征。（a，b）不同放大倍數的SEM圖像顯示了多孔納米纖維網絡的形態。（c）由接枝在CNF上的MoS2薄片組成的核-殼結構的TEM圖像。（d）CNFs/CoS2/MoS2雜化結構的HRTEM圖像和EDS圖像，顯示出CoS2納米顆粒。（e）單CNFs/CoS2/MoS2纖維的C、Co、Mo和S元素映射圖像和Co的HAADF。
圖3.光譜分析。（a）CNFs/CoS2/MoS2復合膜的XPS光譜。（b）Mo 3d光譜。（c）Co 2p光譜。（d）S 2p光譜。（e）CNF、CNFs/MoS2和CNFs/CoS2/MoS2復合膜的XRD。
圖4.基于CNFs/CoS2/MoS2復合膜的柔性氣體傳感器在暴露于不同氣體（包括NO、NO2、NH3和CH4）下的響應。（a）基于CNFs/CoS2/MoS2復合膜的氣體傳感器的選擇性。（b）比較這項研究中CNF/CoS2/MoS2與其他典型材料（參考文獻8、12、23、26）的選擇性系數（K's）。（c）CNFs/CoS2/MoS2傳感器暴露于NO（1、10、20、50和100 ppm）并完全恢復后的響應和恢復曲線。插圖是通過實驗獲得的數據以及線性擬合響應與NO濃度的關系圖。（d）打開/關閉50 ppm NO流量的循環響應曲線。（e）CNFs/CoS2/MoS2復合膜氣體傳感器暴露于50 ppm NO時在不同彎曲角度下的響應。插圖是復合膜在彎曲循環之前和之后的SEM圖像，以及在不同彎曲角度下氣體傳感器的光學圖像。
圖5.機理分析和理論計算。（a）基于CNF、CNFs/MoS2、CNFs/CoS2和CNFs/CoS2/MoS2復合膜的氣體傳感器在暴露于50 ppm NO時的響應。（b）基于CNFs/MoS2、CNFs/CoS2和CNFs/CoS2/MoS2復合膜的氣體傳感器在暴露于不同濃度（1、10、20、50和100 ppm）的NO時的響應。（c）吸附在MoS2上的NO的幾何結構。（d）NO/MoS2和NO2/MoS2的PDOS。（e）NO/MoS2的電荷差密度。（f）吸附在CoS2（100）上的NO的幾何結構。（g）NO/CoS2（100）的PDOS。（h）NO/CoS2（100）的擴散電荷密度。
