基于少层OMCs的高性能室温化学电阻型气敏传感器

随着物联网工业的快速发展，气体传感技术在空气污染物检测、国防安全、医疗诊断、智能家居等领域表现出广阔的应用前景。化学电阻型传感器具有器件结构简单、成本低廉、实时在线检测等优点，受到了研究人员的广泛关注。为了解决金属氧化物半导体选择性差、功耗高等领域难题，二维无机纳米材料凭借优异的理化性能在室温气体检测领域表现出了良好的应用潜力，但仍面临灵敏度低、选择性差的难题。有研究表明，对二维材料表面进行有机官能团化可进一步提高材料对气体的灵敏度和选择性，但后修饰有机官能团化通常具有表面覆盖率低、分布不均匀以及合成困难等难题。因此，进一步提高二维材料的灵敏度和选择性是个巨大的挑战。

为了解决上述难题，中国科学院福建物质结构研究所徐刚（点击查看介绍）课题组通过配位自组装的合成方法开发了一类新型的晶态二维半导体材料——有机金属硫化物（Organic-metal Chalcogenides, OMCs）。不同于已知的二维材料（石墨烯、黑磷等），OMCs具有独特的三明治结构：金属-硫化物构成连续的二维无机层，有机官能团长程有序地分布在OMCs表面（Nat. Commun., 2020, 11, 261）。课题组先前的研究工作发现：一方面有机官能团的电子结构对OMCs电导率影响巨大，而有机官能团的电子结构易于受到外来分子的干扰，因而有望实现对目标分子的高灵敏的检测。另一方面可以针对待测分子在OMCs表面设计与之相互作用较强的有机官能团，从而实现高选择性的检测。因此，OMCs是一类潜在的高性能室温气敏材料。

NO₂作为造成酸雨以及光化学烟雾的主要气体成分之一，需要进行检测。它与-NH₂官能团具有许多独特的相互作用（如酸碱相互作用、氢键等）。因此，徐刚课题组选取表面覆盖有-NH₂官能团的OMC-Ag(SPh-NH₂)作为研究对象。通过水热法自下而上直接合成了具有少层结构的Ag(SPh-NH₂)，并通过spin-coating的方法成功制备连续、均匀、致密且透明的OMC薄膜。基于该Ag(SPh-NH₂)薄膜的化学电阻型传感器在室温下实现了对NO₂的高选择性、高灵敏度检测，其灵敏度优于当前已报道的基于二维材料的室温化学电阻型气体传感器。此外，该OMCs薄膜传感器还展现出快速的响应-恢复速度、优异循环稳定性以及长期稳定性。通过对照实验以及原位红外实验发现覆盖在OMC表面且长程有序的-NH₂官能团与NO₂的相互作用（如酸碱相互作用、氢键）对NO₂的高选择性、高灵敏度检测起着决定性作用。此外，OMCs上的有机官能团可根据不同的气体检测目的进行灵活调节，为设计和制备下一代高选择性、高灵敏度的室温气体敏感材料带来很大的启发。

这一成果近期发表在Chemical Communications 上，文章的第一作者是福建物质结构研究所硕士研究生蒋会杰。

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Organic “receptor” fully covered few-layer organic–metal chalcogenides for high-performance chemiresistive gas sensing at room temperature

Huijie Jiang, Linan Cao, Yanzhou Li, Wenhua Li, Xiaoliang Ye, Weihua Deng, Xiaoming Jiang, Guane Wang, Gang Xu*

Chem. Commun., 2020, 56, 5366-5369, DOI: 10.1039/D0CC01092H

导师介绍

徐刚

https://www.x-mol.com/university/faculty/22986