基于MoS2@rGO復(fù)合納米材料的高靈敏柔性氣體傳感器

柔性傳感器以及可穿戴式設(shè)備已經(jīng)成為了近期的研究熱點(diǎn)，生物電信號(hào)、溫度、以及汗液傳感器已經(jīng)被研究人員廣泛研究。而與柔性可穿戴氣體傳感器相關(guān)的研究還較少，主要的阻礙包含氣敏材料對工作溫度的要求，氣體響應(yīng)信號(hào)與應(yīng)變產(chǎn)生噪音的剝離，以及對氣體檢測的快速響應(yīng)與恢復(fù)。目前大部分電阻式氣體傳感器的工作溫度較高，能耗較大，且制備的工藝較復(fù)雜。

針對這些問題，來自美國賓夕法尼亞州立大學(xué)的程寰宇課題組和來自美國東北大學(xué)的祝紅麗課題組近期通過在還原氧化石墨烯上可控生長二硫化鉬（MoS₂@rGO）形成敏感材料，利用蛇形導(dǎo)線和應(yīng)變隔離的設(shè)計(jì)，成功制作了可拉伸的二氧化氮?dú)怏w傳感器。同時(shí)利用具有3D多孔結(jié)構(gòu)的激光誘導(dǎo)石墨烯作為電極與加熱裝置，將MoS₂@rGO復(fù)合材料涂抹其上，制備了具有自加熱性能的可拉伸二氧化氮?dú)怏w傳感器，大大簡化了可穿戴氣體傳感器的制作工藝和增強(qiáng)了實(shí)用性。在該項(xiàng)工作中詳細(xì)比較分析了這兩種可拉伸氣體傳感器的傳感性能如靈敏度、檢測限、響應(yīng)/恢復(fù)速率等，探究了敏感材料和測量電極的構(gòu)造對提升傳感信噪比，提升檢測極限的規(guī)律。

圖1.?MoS₂@rGO復(fù)合納米材料的制備方法與微觀結(jié)構(gòu)。a) 合成過程示意圖，b-d) 不同尺寸的MoS₂@rGO復(fù)合納米材料的掃描電子顯微鏡照片。

首先，作者表征了MoS₂@rGO復(fù)合納米材料的微觀結(jié)構(gòu)與氣敏特性。MoS₂@rGO復(fù)合納米材料的制備應(yīng)用了溶劑熱法，在二維片層的rGO上原位生長MoS₂納米粒子，并在反應(yīng)溶劑無水乙醇的體系中添加不同尺寸的氯化鈉晶體顆粒，可以實(shí)現(xiàn)對所形成MoS₂@rGO復(fù)合納米材料的形貌控制（圖1）。這是因?yàn)槁然c晶體不溶于乙醇，卻能溶于水，隨著添加氯化鈉晶體的尺寸逐漸變小，MoS₂@rGO復(fù)合材料的尺寸也隨著溶劑中氯化鈉晶體顆粒間的空間變小而變小，最終制備得到的MoS₂@rGO復(fù)合物比表面積相應(yīng)提高。通過球磨法調(diào)控氯化鈉晶體尺寸，從而實(shí)現(xiàn)對MoS₂@rGO復(fù)合納米材料的可控制備。將該氣敏材料滴在叉指電極上，氣體傳感器的信號(hào)噪音比隨著MoS₂@rGO復(fù)合材料的尺寸變小而從22.4提高到60.4（圖2），歸功于更為精細(xì)的納米材料與電極可以形成更好的接觸。

圖2.不同尺寸的MoS₂@rGO復(fù)合納米材料對1 ppm二氧化氮的響應(yīng)。a) 合成過程中未添加氯化鈉晶體，b）合成過程中添加未研磨的氯化鈉晶體，c）合成過程中添加了經(jīng)過研磨的氯化鈉晶體，d）合成過程中添加了經(jīng)過研磨的超精細(xì)氯化鈉晶體。

隨后，作者將MoS₂@rGO復(fù)合納米材料滴在利用紫外激光切割而成的聚酰亞胺/金叉指電極，將電極整合在柔軟的Ecoflex基底上并將電極通過蛇形蜿蜒的導(dǎo)電層連接至萬用表，從而制備了柔性可拉伸氣體傳感器。該柔性傳感器可以適應(yīng)各種彎曲表面，并能承受20%的拉伸應(yīng)變（圖3）, 同時(shí)在拉伸的狀態(tài)下能獲得更低的檢測限（5.6 ppb）。

圖3.基于MoS₂@rGO復(fù)合納米材料的柔性氣體傳感器可以適應(yīng)不同的形變（圖a-c）并避免在形變中出現(xiàn)損壞，最多可以承受20%的拉伸應(yīng)力（圖d），并且在拉伸的狀態(tài)下具有更低的檢測限（圖e）。

最后，作者為了簡化氣體傳感器的結(jié)構(gòu)，使用了激光誘導(dǎo)石墨烯同時(shí)作為電極材料和加熱器，制備了基于MoS₂@rGO復(fù)合納米材料的NO₂傳感器。激光誘導(dǎo)石墨烯可以較為方便的通過CO₂激光燒蝕商用聚酰亞胺薄膜制備，隨后選擇性的在激光誘導(dǎo)石墨烯局部滴加納米銀墨水和MoS₂@rGO復(fù)合納米材料完成柔性氣體傳感器的制備。通過控制激光誘導(dǎo)石墨烯的幾何尺寸來調(diào)控傳感器的性能，當(dāng)其長度為2 mm，寬度為75ｕm時(shí)，所制備的氣體傳感器能夠在外接測量電路提供電壓時(shí)自加熱到60 ℃，顯著加快氣體傳感器的響應(yīng)和恢復(fù)速度，并且維持極為出色的信號(hào)噪音比（1026.9）。

圖4.基于MoS₂@rGO復(fù)合納米材料的柔性氣體傳感器可以適應(yīng)不同的形變（圖a-c）并避免在形變中出現(xiàn)損壞，最多可以承受20%的拉伸應(yīng)力（圖d），并且在拉伸的狀態(tài)下，具有更低的檢測限(圖e)。

本論文的第一作者為賓夕法尼亞州立大學(xué)的衣寧博士，美國東北大學(xué)和華南理工大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)的程崢博士，和廈門大學(xué)的李寒博士。該工作目前在線發(fā)表于領(lǐng)域著名期刊Materials Today Physics 。

全文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542529320300894