home Технология производства Производственное оборудование
Промышленное производство
Промышленный Интернет вещей | Промышленные материалы | Техническое обслуживание и ремонт оборудования | Промышленное программирование |
home  MfgRobots >> Промышленное производство >  >> Industrial materials >> Наноматериалы

CuFe2O4 / MoS2 Смешанные гетероструктуры с улучшенной чувствительностью обнаружения газа

Аннотация

Смешанный размер (2D + n D, n =0, 1 и 3) гетероструктуры открыли новое направление для фундаментальных физических исследований и прикладных разработок наноустройств. Здесь новое расположение ступенчатых полос типа II CuFe 2 О 4 / MoS 2 смешанные гетероструктуры (MH), которые демонстрируют отчетливо усиленный (20–28%) отклик по восприятию газа ацетоном по сравнению с чистым CuFe 2 О 4 сообщаются о нанотрубках. Основываясь на структурных характеристиках и результатах расчетов методом DFT, можно предположить, что механизм улучшения газовых характеристик CuFe 2 О 4 / MoS 2 MH можно отнести к синергетическому эффекту выравнивания полос типа II и MoS 2 активные сайты.

Введение

Интеграция наноструктурированных материалов с разными физическими свойствами имеет важное значение для создания многофункциональных устройств, и это долгое время было целью научного сообщества по наноматериалам [1,2,3,4,5]. Двумерные (2D) слоистые материалы, такие как графен, g-C 3 N 4 , и MoS 2 , получили широкое междисциплинарное внимание [6,7,8,9,10,11,12,13] из-за их потенциала в различных технологиях, включая датчики, электронику, оптоэлектронику и так далее [14,15,16,17 , 18,19,20]. В частности, двухмерные слоистые материалы обеспечивают новую платформу для эффективного построения смешанных гетероструктур (МГ) с 0D и 1D наноструктурами (включая квантовые точки, нанопроволоки и нанотрубки) [21,22,23,24,25,26,27, 28,29]. Согласно предыдущим отчетам, электропроводность, поверхностная активность и чувствительность MHs могут быть эффективно адаптированы путем выбора подходящих материалов-кандидатов [30,31,32,33,34,35]. Хотя большинство исследований было сосредоточено на новых физических свойствах MH на основе 2D-слоистых материалов, все еще необходимы дополнительные усилия для разработки наноустройств на основе 0D / 1D MH. CuFe 2 О 4 является важным металлооксидным полупроводником n-типа с непрямой запрещенной зоной в диапазоне 1,3–1,95 эВ [36, 37], который считается многообещающим материалом для газовых сенсоров из-за его естественного распространения, низкой стоимости и экологичности, простой электронный интерфейс, низкие эксплуатационные расходы, простота использования и изготовления [38,39,40]. Стоит отметить, что CuFe 2 О 4 сенсоры на основе газа показали относительно низкие отклики на некоторые целевые газы (например, этанол и ацетон) [37]. Следовательно, важно улучшить характеристики чувствительности CuFe 2 О 4 -основные датчики газа разумной конструкцией МЗ. MoS 2 является одним из самых известных 2D-материалов, обладающих шириной запрещенной зоны 1,2–1,8 эВ из-за высокого отношения поверхности к объему и высокой чувствительностью к адсорбции кислорода, что позволяет использовать их в приложениях для химического зондирования [41].

В этой статье мы сообщаем о CuFe 2 О 4 / MoS 2 MH (1D / 2D) впервые синтезированы двухэтапным методом с использованием электропрядения с последующим гидротермальным процессом. Морфология, кристаллическая структура и состав CuFe 2 О 4 / MoS 2 MH были подтверждены, и результаты теории функции плотности (DFT) дополнительно указывают на формирование выравнивания полос типа II в MH. CuFe 2 О 4 / MoS 2 MH имеют очевидные преимущества для обнаружения газа, которое выигрывает от выравнивания полос типа II и активных сайтов в MoS 2 ультратонкие нанолисты. Газоочувствительные свойства CuFe 2 О 4 / MoS 2 МГ изучаются как в газах этанола, так и в ацетоне. Как и ожидалось, датчик на основе MHs показывает значительно улучшенные характеристики обнаружения газа по сравнению с чистым CuFe 2 О 4 нанотрубки, таким образом, предполагая потенциальное применение CuFe 2 О 4 / MoS 2 MH в высокочувствительных датчиках газа.

Раздел метода

Синтез CuFe 2 О 4 / MoS 2 MHs

Подробные процессы приготовления CuFe 2 О 4 / MoS 2 MH показаны на рис. 1. Во-первых, чистый CuFe 2 О 4 нанотрубки были предварительно синтезированы методом электроспиннинга. Во-первых, 0,5 ммоль Cu (NO 3 ) 2 · 3H 2 O, 1,0 ммоль Fe (NO 3 ) 3 · 9H 2 О и 0,68 г поливинилпирролидона (ПВП) растворяли в 5 мл этанола и 5 мл N, N-диметилформамида (ДМФ). После перемешивания в течение 6 часов указанный выше раствор помещали в шприц и вводили со скоростью подачи 0,4 мл ч -1 . . Между кончиком иглы и сеткой из нержавеющей стали на расстоянии 18 см подавалось постоянное напряжение 15 кВ. Прямоугольные волокна-прекурсоры собирали в трубчатой ​​печи и выдерживали при 500 ° C в течение 2 часов на воздухе.

Схематическое изображение процессов приготовления CuFe 2 О 4 / MoS 2 MHs

CuFe 2 О 4 / MoS 2 На втором этапе МГ были синтезированы гидротермальным методом. CuFe 2 О 4 нанотрубки диспергировали в деионизированной (ДИ) воде (15 мл) с помощью обработки ультразвуком. (NH 4 ) 6 Пн 7 О 24 · 4H 2 O и CN 2 H 4 Затем в смесь добавляли S. После перемешивания в течение 30 мин раствор переносили в автоклав из политетрафторэтилена (ПТФЭ) объемом 25 мл и выдерживали при 200 ° C в течение 10 часов. Наконец, MH были собраны в центрифуге, промыты деионизированной водой и высушены при 60 ° C.

Микроструктурная характеристика

Морфология и структура чистого CuFe 2 О 4 нанотрубки и CuFe 2 О 4 / MoS 2 МГ были охарактеризованы методом автоэмиссионной сканирующей электронной микроскопии (FE-SEM, FEI NanoSEM200). Картины дифракции рентгеновских лучей (XRD) были записаны на Rigaku Smartlab с излучением Cu Kα, работающим при 45 кВ и 200 мА. Измерения с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) проводились на JEOL 2100F. Энергодисперсионный рентгеновский спектрометр (EDS) был введен для определения химического состава. Рамановские измерения проводились с использованием Renishaw inVia при комнатной температуре с лазером с возбуждением 532 нм (2 мВт).

Изготовление и измерение газовых датчиков

Датчики газа были изготовлены путем нанесения покрытия из смеси исследуемых материалов (чистый CuFe 2 О 4 или CuFe 2 О 4 / MoS 2 MHs) и деионизированной воды на решетку встречно-штыревых электродов из Au (зазор и ширина 200 мкм) на SiO 2 / Si подложка. Газочувствительные свойства датчиков измерялись с использованием коммерческой системы CGS-4TPs (Beijing Elite Tech Co., Ltd., Китай). Ответ определяется как R а / R g , где R а сопротивление в атмосферном воздухе и R g сопротивление в исследуемом газе, соответственно.

Результаты и обсуждение

Морфология чистого CuFe 2 О 4 нанотрубки и CuFe 2 О 4 / MoS 2 MH показаны на рис. 2 и в дополнительном файле 1:на рис. S1. Оба образца представляют собой четко очерченные трубчатые наноструктуры с длиной в несколько десятков микрометров и диаметром 70–150 нм, что может быть подтверждено поперечным сечением сломанных нанотрубок (дополнительный файл 1:Рисунок S1b). СЭМ-изображения (рис. 2a, b) показывают CuFe 2 О 4 / MoS 2 MHs по-прежнему сохраняет первоначальную трубчатую структуру после гидротермального процесса. И мы видим, что CuFe 2 О 4 нанотрубки имеют относительно гладкую поверхность до их компоновки с крошечным MoS 2 , а шероховатые поверхности появляются в CuFe 2 О 4 / MoS 2 MHs. Кроме того, была проведена спектроскопия комбинационного рассеяния для подтверждения присутствия MoS 2 в CuFe 2 О 4 / MoS 2 MHs. Сильные колебательные моды CuFe 2 О 4 (T 2 г - 477 см −1 , А 1 г - 685 см −1 ) и MoS 2 (\ ({\ mathrm {E}} _ {2 \ mathrm {g}} ^ 1 \) - 382 см −1 , А 1 г - 409 см −1 ) можно найти в чистом CuFe 2 О 4 нанотрубка или MoS 2 образцы нанолистов (рис. 2в). По сравнению с чистым CuFe 2 О 4 нанотрубки и MoS 2 нанолистов (Дополнительный файл 1:Рисунок S2), комбинационная колебательная мода CuFe 2 О 4 (T 2 г , А 1 г ) и MoS 2 (\ ({\ mathrm {E}} _ {2 \ mathrm {g}} ^ 1 \), A 1g ) все проявлялось в спектре комбинационного рассеяния CuFe 2 О 4 / MoS 2 MHs. Положение этих четырех пиков не изменилось, что указывает на формирование композитной структуры CuFe 2 О 4 и MoS 2 в CuFe 2 О 4 / MoS 2 MHs. Между тем, результаты XRD чистого CuFe 2 О 4 и CuFe 2 О 4 / MoS 2 MH показаны в Дополнительном файле 1:Рисунок S3. Видно, что дифракционные пики CuFe 2 О 4 хорошо проиндексированы по стандартной карте JCPDS (34-0425), показывая, что CuFe 2 О 4 относится к объемноцентрированной тетрагональной структуре. Диаграмма XRD CuFe 2 О 4 / MoS 2 накладываются дифракционные пики CuFe 2 О 4 и MoS 2 , соответственно (стандартная карта JCPDS CuFe 2 О 4 (34-0425) и MoS 2 (06-0097)), и на рентгенограмме отсутствует характерный пик примеси, что указывает на то, что композит состоит из CuFe 2 О 4 и MoS 2 только.

СЭМ и рамановская характеристика CuFe 2 О 4 и CuFe 2 О 4 / MoS 2 MHs. FE-SEM изображения a чистый CuFe 2 О 4 нанотрубки и b CuFe 2 О 4 / MoS 2 MHs. c Рамановские спектры чистого CuFe 2 О 4 нанотрубки, чистый MoS 2 нанолисты и CuFe 2 О 4 / MoS 2 MHs

Для дальнейшей характеристики микроструктуры CuFe 2 О 4 / MoS 2 Наблюдения MHs, TEM проводились, как показано на рис. 3а. ПЭМ-изображения низкого разрешения (рис. 3b) показывают, что поверхности CuFe 2 О 4 нанотрубки равномерно покрыты множеством гексагональных нанолистов диаметром 15–20 нм. На рис. 3c приведены изображения крошечных нанолистов с высоким разрешением (ПЭМВР), отмеченные на рис. 3b. Расстояние между полосами решетки 0,27 нм может соответствовать плоскости (100) MoS 2 . Кроме того, морфология и размер MoS 2 могут быть адаптированы путем корректировки условий гидротермальной реакции (дополнительный файл 1:рисунок S2). Картина дифракции электронов на выбранной площади (SAED) также показывает гексагональную симметрию слоистого MoS 2 (Дополнительный файл 1:Рисунок S4). Чтобы продемонстрировать распределение MoS 2 нанолисты на поверхности CuFe 2 О 4 нанотрубки, изображения элементарного картирования in situ EDS CuFe 2 О 4 / MoS 2 MH (отмечены на рис. 3b) выполняются, как показано на рис. 4. Однородное распределение элементов Mo, S, Cu, Fe и O указывает на то, что большое количество MoS 2 нанолисты равномерно диспергированы в CuFe 2 О 4 / MoS 2 MHs.

ПЭМ-характеристика CuFe 2 О 4 / MoS 2 MHs. ПЭМ-изображение a с низким разрешением CuFe 2 О 4 / MoS 2 MHs и b панель частичного масштабирования a пунктирной линией. c Изображение HRTEM области пунктирной линии на b

EDS результат CuFe 2 О 4 / MoS 2 MHs. а СЭМ-изображение образца пунктирной линией на рис. 3а. б - е Карта интенсивности EDS в костюме для Mo, S, Cu, Fe и O соответственно

Чтобы исследовать их газочувствительные свойства, чистый CuFe 2 О 4 нанотрубки и CuFe 2 О 4 / MoS 2 Датчики газа MHs были изготовлены, как показано на рис. 5а и в дополнительном файле 1:рис. S5. На рисунках 5b и c предварительно установлены кривые "отклик-восстановление" чистого CuFe 2 О 4 нанотрубки и CuFe 2 О 4 / MoS 2 Газовые сенсоры MHs определяют содержание этанола и ацетона 100 ppm (6 циклов) соответственно. После компоновки с помощью MoS 2 нанолистов, видно, что CuFe 2 О 4 / MoS 2 Датчик MHs показывает положительные отклики при воздействии этанола и ацетона, которые примерно на 18–20% выше, чем у чистого CuFe 2 О 4 нанотрубки. Очевидно, CuFe 2 О 4 / MoS 2 Датчик MHs демонстрирует стабильные реакции восприятия даже после 6 циклов, что указывает на хорошую обратимость и повторяемость. На рисунках 5d и e приведены кривые динамической переходной характеристики чистого CuFe 2 . О 4 нанотрубки и CuFe 2 О 4 / MoS 2 Газовые сенсоры MHs для различных концентраций ацетона (0,5–1000 ppm). CuFe 2 О 4 / MoS 2 Датчик MHs показывает улучшенный отклик на каждую концентрацию ацетона (рис. 5f). В частности, процент улучшения реакции на ацетон превышает 20% при концентрациях ацетона не выше 50 ppm. Заметно, что реакция на ацетон улучшилась примерно на 18% даже при 0,5 ppm. Это означает, что CuFe 2 О 4 / MoS 2 МГ более чувствительны к ацетону по сравнению с чистым CuFe 2 О 4 .

Зондирование измерений CuFe 2 О 4 / MoS 2 MHs. а Изготовленная схема газового сенсора и фотографии изготовленного газового сенсора (CuFe 2 О 4 нанотрубки и CuFe 2 О 4 / MoS 2 MHs). Воспроизводимость измерений CuFe 2 О 4 нанотрубки и CuFe 2 О 4 / MoS 2 Датчик газа MHs до 100 ppm b этанол и c ацетон. г , e Кривые динамического отклика-восстановления CuFe 2 О 4 нанотрубки и CuFe 2 О 4 / MoS 2 Датчики газа MHs при различных концентрациях ацетона. е Скорость приращения отклика CuFe 2 О 4 / MoS 2 Устройство MHs относительно чистого CuFe 2 О 4 устройство на основе нанотрубок при различных концентрациях ацетона

Чтобы исследовать важную роль MoS 2 нанолисты в реакции обнаружения газа, электронные зонные структуры CuFe 2 О 4 и многослойный MoS 2 были рассчитаны соответственно с помощью DFT (рис. 6а, б). Непрямая запрещенная зона CuFe 2 О 4 и многослойный MoS 2 составляет около 1,3 и 1,2 эВ соответственно. По результатам выравнивание полос CuFe 2 О 4 / MoS 2 MH изображены на рис. 6c, который формирует выравнивание полос типа II. Улучшение отклика сенсора проявляется в изменении электрического сопротивления ( R а / R g ) в присутствии воздуха или целевого газа. Благодаря выравниванию зон типа II пары электрон-дырка могут эффективно разделяться на границе гетероперехода. Отверстия остаются внутри CuFe 2 О 4 нанотрубки, а большая часть электронов будет инжектироваться в MoS 2 слои. Когда чистый CuFe 2 О 4 или CuFe 2 О 4 / MoS 2 Сенсоры MHs подвергаются воздействию воздуха, молекулы кислорода адсорбируются на поверхности сенсоров с образованием форм кислорода (O 2 - , O - , и O 2− ). Между тем, свободные электроны переходят из CuFe 2 О 4 или CuFe 2 О 4 / MoS 2 МН по отношению к формам кислорода на поверхности сенсоров приводит к снижению электрического сопротивления ( R а ). В случае обнаружения целевого газа реакция адсорбированных форм кислорода и целевых молекул будет происходить на поверхности сенсора (например, CH 3 COCH 3 + 80 - → 3CO 2 + 3H 2 O + 8e - ) и высвободить свободные электроны в CuFe 2 О 4 или CuFe 2 О 4 / MoS 2 MHs. Таким образом, сопротивление датчика ( R g ) уменьшается в целевом газе. Примечательно, что MoS 2 края предлагают высокую плотность потенциальных активных центров для реакции восстановления [42,43,44]. На рисунке 6d показана рассчитанная энергия адсорбции CH 3 . COCH 3 на CuFe 2 О 4 / MoS 2 MHs с помощью метода DFT. Энергия адсорбции для CH 3 COCH 3 молекулы над краем CuFe 2 О 4 / MoS 2 MHs составляет - 30,07 эВ (очень мало). Это означает край CuFe 2 О 4 / MoS 2 MH являются активными сайтами для канала 3 COCH 3 молекулы. Использование активных сайтов в MoS 2 нанолисты, CuFe 2 О 4 / MoS 2 MHs получают свободные электроны более эффективно по сравнению с чистым CuFe 2 О 4 (Рис. 6д). Положительный эффект более очевиден при низкой концентрации целевого газа. Хотя улучшенная характеристика реакции на газ ограничена при сверхвысоких концентрациях из-за ограниченных активных центров.

Результаты ДПФ CuFe 2 О 4 / MoS 2 MHs. Электронные структуры а CuFe 2 О 4 нанотрубки и b многослойный MoS 2 . c Схематическое изображение совмещения полос типа II в CuFe 2 О 4 / MoS 2 MHs. г Краевая энергия адсорбции для CH 3 COCH 3 молекулы на CuFe 2 О 4 / MoS 2 MHs. е Модель для CuFe 2 О 4 / MoS 2 МГ в парах ацетона

Выводы

Сообщаем о романе CuFe 2 О 4 / MoS 2 MHs и очевидное улучшение восприятия ацетона. CuFe 2 О 4 / MoS 2 MH подтверждены результатами Рамана, SEM, XRD, TEM и EDS. Связующие взаимодействия между CuFe 2 О 4 и MoS 2 приводят к образованию гетероструктур II типа, что подтверждается результатами DFT. Практические газовые сенсорные устройства были изготовлены на основе CuFe 2 О 4 / MoS 2 MHs и показывает высокую чувствительность и отличную повторяемость. Улучшение восприятия также наблюдается при использовании газообразного этанола. Улучшение газоочувствительных свойств CuFe 2 О 4 / MoS 2 MH можно отнести к эффекту выравнивания полос типа II и MoS 2 активные сайты. Мы считаем, что наши исследования будут полезны для различных приложений гетероструктур смешанного размера.

Доступность данных и материалов

Все данные полностью доступны без ограничений.

Сокращения

2D:

Двумерный

DFT:

Теория функции плотности

EDS:

Энергодисперсионный рентгеновский спектрометр

MHs:

Смешанные гетероструктуры

SEM:

Сканирующий электронный микроскоп

ТЕМ:

Просвечивающая электронная микроскопия


Наноматериалы

  • Металл
  • Смола
  • волокно
  • Композитный материал
  • Наноматериалы
  • Полимерные материалы
  • Биопрепараты
  • Краситель
  • Специи
    1. встроенный мир 2021:цифровой датчик газа в носу с ИИ
    2. Реакция остеобластов на микропористые покрытия, легированные медью, на титане для улучшения интеграции кост…
    3. MoS2 с контролируемой толщиной для электрокаталитического выделения водорода
    4. Широкополосный идеальный абсорбер с однослойным MoS2 и массивом нанодисков из гексагонального нитрида титана
    5. Электроспряденные полимерные нановолокна, украшенные наночастицами благородных металлов для определения х…
    6. Простое изготовление многоиерархического пористого полианилинового композита в качестве датчика давления …
    7. Ярко выраженный фотоэлектрический ответ от многослойного фототранзистора MoTe2 с асимметричной контактной фо…
    8. Механизм проводимости и повышение выносливости в RRAM на основе HfO2 с лечением нитридом
    9. Высокоэффективное определение H2 для многослойных гетеропереходов MoS2 / SiO2 / Si за счет декорирования поверхнос…
    10. 6 способов улучшить Protocase Designer в версии 4.6