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还原氧化石墨烯和二硫化钼的复合纳米材料(MoS2@rGO)的制备和性能分析
发布时间:2021-04-01     作者:zzj   分享到:

柔性传感器以及可穿戴式设备已经成为了近期的研究热点,生物电信号、温度、以及汗液传感器已经被研究人员广泛研究。而与柔性可穿戴气体传感器相关的研究还较少,主要的阻碍包含气敏材料对工作温度的要求,气体响应信号与应变产生噪音的剥离,以及对气体的快速响应与恢复。目前大部分气敏电阻式气体传感器的工作温度较高,能耗较大,且制备的工艺较复杂。

性传感器以及可穿戴式设备已经成为了近期的研究热点,生物电信号、温度、以及汗液传感器已经被研究人员广泛研究。而与柔性可穿戴气体传感器相关的研究还较少,主要的阻碍包含气敏材料对工作温度的要求,气体响应信号与应变产生噪音的剥离,以及对气体的快速响应与恢复。目前大部分气敏电阻式气体传感器的工作温度较高,能耗较大,且制备的工艺较复杂。

首先,表征了MoS2@rGO复合纳米材料的微观结构与气敏特性。MoS2@rGO复合纳米材料的制备应用了溶剂热法,在二维片层的rGO上原位生长MoS2纳米粒子,并在反应溶剂无水乙醇的体系中添加不同尺寸的氯化钠晶体颗粒,可以实现对所形成MoS2@rGO复合纳米材料的形貌控制(图1)。这是因为氯化钠晶体不溶于乙醇,却能溶于水,随着添加氯化钠晶体的尺寸逐渐变小,MoS2@rGO复合材料的尺寸也随着溶剂中氯化钠晶体颗粒间的空间变小而变小,最终制备得到的MoS2@rGO复合物比表面积相应提高。

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1. MoS2@rGO复合纳米材料的制备方法与微观结构。a) 合成过程示意图,b-d) 不同尺寸的MoS2@rGO复合纳米材料的扫描电子显微镜照片。

通过球磨法调控氯化钠晶体尺寸,从而实现对MoS2@rGO复合纳米材料的可控制备。将该气敏材料滴在叉指电极上,气体传感器的信号噪音比随着MoS2@rGO复合材料的尺寸变小而从22.4提高到60.4(图2),归功于更为精细的纳米材料与电极可以形成更好的接触。

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2.不同尺寸的MoS2@rGO复合纳米材料对1ppm二氧化氮的响应。a) 合成过程中未添加氯化钠晶体,b)合成过程中添加未研磨的氯化钠晶体,c)合成过程中添加了经过研磨的氯化钠晶体,d)合成过程中添加了经过研磨的超精细氯化钠晶体。


随后,将MoS2@rGO复合纳米材料滴在利用紫外激光切割而成的聚酰亚胺/金叉指电极,将电极整合在柔软的Ecoflex基底上并将电极通过蛇形蜿蜒的导电层连接至万用表,从而制备了柔性可拉伸气体传感器。该柔性传感器可以适应各种弯曲表面,并能承受20%的拉伸应变(图3, 同时在拉伸的状态下能获得更低的检测限(5.6 ppb)。

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3.基于MoS2@rGO复合纳米材料的柔性气体传感器可以适应不同的形变(图a-c)并避免在形变中出现损坏,最多可以承受20%的拉伸应力(图d),并且在拉伸的状态下具有更低的检测限(图e)。

最后,为了简化气体传感器的结构,使用了激光诱导石墨烯同时作为电极材料和加热器,制备了基于MoS2@rGO复合纳米材料的NO2传感器。激光诱导石墨烯可以较为方便的通过CO2激光烧蚀商用聚酰亚胺薄膜制备,随后选择性的在激光诱导石墨烯局部滴加纳米银墨水和MoS2@rGO复合纳米材料完成柔性气体传感器的制备。通过控制激光诱导石墨烯的几何尺寸来调控传感器的性能,当其长度为2 mm,宽度为75m时,所制备的气体传感器能够在外接测量电路时自加热到60 ℃,显著加快气体传感器的响应和恢复速度,并且维持极为出色的信号噪音比(1026.9)。

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4.基于MoS2@rGO复合纳米材料的柔性气体传感器可以适应不同的形变(图a-c)并避免在形变中出现损坏,最多可以承受20%的拉伸应力(图d),并且在拉伸的状态下,具有更低的检测限(e)

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