Pt量子点负载WS2纳米片复合材料的制备以及室温NH3气敏性能、原位拉曼的研究

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科技的发展给人们的生活带来了翻天覆地变化的同时工业废气、汽车尾气等有毒、易燃、易爆气体对居民的健康造成威胁,氨气便是其中一种危害严重的气体。空气中氨气浓度过高对人体健康不利,化工厂中氨气浓度过高时甚至有爆炸的危险。此外,一些疾病的发生与人体呼出的氨气含量有关,因此实现对氨气的有效检测很有必要。目前电阻型半导体气敏传感器凭借着工艺简单、成本低廉、便于携带等优势而被广泛关注,其主要通过检测气体与敏感材料表面进行交互作用后发生电子转移而引起的电信号变化来判断气敏性能。作为一种实用化的气敏传感器,其主要要求是在室温下具有较好的响应性、稳定性和选择性。作为一种典型的层状金属硫化物气敏材料,WS2具有优异的结构、较窄的光学带隙、良好的电子传输等特性而成为了气敏领域中重要的研究对象,但厚片WS2在室温下呈现出高响应、难恢复的窘状,所以如何保证高响应性的同时提高恢复性成为研究的重点。此外,由于传统的气敏检测手段中对电信号的收集、处理等方面有诸多劣势,本文创造性地采用了气氛下的原位拉曼技术对气敏材料进行检测,侧面反映了用光信号取代传统的电信号来检测气敏性能的可能性。首先以厚片WS2为原料,利用锂离子插层减薄法合成厚度2层左右的超薄WS2纳米片,并在其基础上采用原位水热法合成了不同摩尔比(Pt:WS2)的Pt QDs/WS2NSs复合材料。通过比较纯WS2纳米片与复合材料在室温暗态下对氨气的气敏性能,发现Pt量子点负载前后复合材料的恢复时间分别为912 s和1200 s,说明了原位水热法保证了复合材料良好的恢复性。此外相比于纯WS2纳米片,复合材料对氨气的响应值大幅度提高,且在最佳摩尔比(0.1)时响应值提高近10倍。这是由于Pt量子点对O2的吸附和高催化活性,产生的活性O2-与氨气反应产生大量电子注入WS2纳米片导致主体材料的电导发生巨大变化。XPS结果表明Pt与WS2接触面之间存在Pt-S界面键,有利于电子在两相间的传输。此外,复合材料的响应值与氨气浓度呈现近似线性关系,且具有良好的稳定性和选择性。采用气氛下的原位拉曼技术,对纯WS2纳米片和不同摩尔比的复合材料分别进行空气和氨气气氛下的拉曼光谱检测,发现相比于空气,在氨气气氛下复合材料的拉曼光谱存在一特征峰(-NO2:1328 cm-1)。取该特征峰与纯WS2纳米片的拉曼最强峰的峰强比,研究了空气和1000 ppm氨气下摩尔比与峰强比的关系,确定了最佳摩尔比为0.4。此外,研究了最佳摩尔比下复合材料的峰强比与氨气浓度之间的关系,发现两者呈现近似线性关系,且表现出对氨气具有良好的稳定性和选择性。另外,通过计算实际量子点负载纳米片的有效负载面积百分比,发现理论摩尔比与实际有效负载面积百分比呈现近似线性关系,即说明实际有效负载面积百分比与峰强比之间的变化趋势与之保持一致。以上研究表明了原位拉曼技术在未来气敏检测领域有着巨大的应用前景。
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