一种金属硫化物表面原位异质结构及制备方法与气敏应用

本发明属于先进材料，具体涉及一种金属硫化物表面原位异质结构及制备方法与气敏应用，在室温下对二氧化氮（no2）气体表现出优异的气敏性能。

背景技术：

1、近年来，过渡金属硫族化合物因其优异的机械、化学、电学、光学以及热力学性能，成为当今研究较多的类石墨烯材料，并在气体检测领域中崭露头角，逐渐成为气体检测应用中的热门材料。但是纯相过渡金属硫族化合物气体传感器依然存在一些缺陷，诸如工作温度较高，稳定性差以及室温下的响应恢复特性差等，都在一定程度上限制了其在气体检测领域的应用。已有研究表明，通过形貌调控、贵金属掺杂或修饰、光照辅助增强以及构建异质结构等手段能够显著改善材料的气敏性能。如何高效构筑出独特过渡金属硫族化合物异质结构是高性能过渡金属硫族化合物气体传感器研究的关键挑战之一近年来，过渡金属硫族化合物因其优异的机械、化学、电学、光学以及热力学性能，成为当今研究较多的类石墨烯材料，并在气体检测领域中崭露头角，逐渐成为气体检测应用中的热门材料。但是纯相过渡金属硫族化合物气体传感器依然存在一些缺陷，诸如工作温度较高，稳定性差以及室温下的响应恢复特性差等，都在一定程度上限制了其在气体检测领域的应用。已有研究表明，通过形貌调控、贵金属掺杂或修饰、光照辅助增强以及构建异质结构等手段能够显著改善材料的气敏性能。如何高效构筑出独特过渡金属硫族化合物异质结构是高性能过渡金属硫族化合物气体传感器研究的关键挑战之一。

技术实现思路

1、本发明基于不同类型半导体材料的气敏传感机理，以过渡金属硫族化合物为基体，通过原位改性技术构建表面异质结构，有效改善室温下过渡金属硫族化合物气体传感器的气敏性能。

2、本发明采用如下技术方案：

3、一种金属硫化物表面原位异质结构，包括金属硫化物及其表面原位构建的金属氧化物。优选的，金属硫化物表面原位异质结构为金属硫化物及其表面原位构建的金属氧化物。

4、上述金属硫化物表面原位异质结构的制备方法，在纳米硫化物表面原位构建纳米金属氧化物，得到金属硫化物表面原位异质结构。

5、本发明公开了一种气体传感器，包括电极、气敏材料，所述气敏材料为上述金属硫化物表面原位异质结构。

6、本发明公开了上述金属硫化物表面原位异质结构在制备气体传感器中的应用。

7、优选的，上述气体为二氧化氮。

8、本发明中，金属包括钼、锡等，金属硫化物包括二硫化钼（mos2）、二硫化锡（sns2），金属氧化物包括三氧化钼（moo3）、二氧化锡（sno2）；优选的，金属硫化物表面原位异质结构为二硫化钼（mos2）纳米花负载三氧化钼（moo3）纳米颗粒的p-n型表面异质结构或者二硫化锡（sns2）纳米花负载二氧化锡（sno2）纳米颗粒的n-n型表面异质结构。

9、本发明中，采用水热法制备纳米硫化物，具体的，将金属源、硫源水热反应，制备纳米硫化物；其中水热反应的温度为160～200℃，时间为10～30小时，优选的，水热反应的温度为170～190℃，时间为12～24小时。

10、本发明中，采用氧化法在纳米硫化物表面原位构建纳米金属氧化物，优选的，采用过氧化氢（h2o2）溶液，经原位氧化改性技术在纳米硫化物表面原位构建纳米金属氧化物。h2o2溶液的质量浓度为0.1%～5.0%，优选0.5%～3.0%，进一步优选1%～3%。氧化的时间为0.5～5小时，优选1～3小时。

11、本发明基于不同类型半导体材料的气敏传感机理，以过渡金属硫族化合物为基体，通过原位改性技术构建不同类型的表面异质结构，有效改善室温下过渡金属硫族化合物气体传感器的气敏性能。具体研究结果如下：

12、（1）提出一种基于二硫化钼（mos2）纳米花负载三氧化钼（moo3）纳米颗粒的p-n型表面异质结构，其在室温下对二氧化氮（no2）气体表现出优异的气敏性能。以二水钼酸钠为钼源，硫脲为硫源，采用水热法制备出花状mos2，并以其为基底，经原位改性技术在其表面构建出mos2/moo3异质结。研究结果表明，在室温条件下，mos2/moo3异质结构气体传感器对1ppm no2气体的响应值达到了18.3%，相比于单纯mos2纳米花（2.3%）提高至7.9倍；其对no2气体具有快速特异性响应（20 s）和恢复（30 s）性能；同时，mos2/moo3异质结构气体传感器对50 ppb的no2气体仍具有6.6%的响应值；此外，相较于甲醇，正己烷和丙酮等测试气体，mos2/moo3异质结构气体传感器在室温条件下对1 ppm no2气体的响应值远高于其它测试气体，表现出对no2气体优异的选择性。

13、（2）提出一种基于二硫化锡（sns2）纳米花负载二氧化锡（sno2）纳米颗粒的n-n型表面异质结构，其在室温下对no2气体表现出优异的气敏性能。以五水四氯化锡和硫代乙酰胺分别作为锡源和硫源，采用水热法制备出sns2纳米花，并以sns2纳米花为基底，结合原位改性技术在其表面构建出sns2/sno2异质结。气敏测试结果表明，sns2/sno2异质结构气体传感器对1 ppm no2气体的响应值为24.3%，并表现出优异的可重复性和选择性。针对单纯sns2纳米花室温下电阻过大的问题，n-n型表面异质结构的合理构筑加快了电子的传输效率，增强了sns2/sno2复合材料的导电率，从而有效降低sns2/sno2复合材料的整体电阻，并在室温下对no2气体表现出优异的气敏性能。

技术特征：

1.一种金属硫化物表面原位异质结构，包括金属硫化物及其表面原位构建的金属氧化物。

2.根据权利要求1所述金属硫化物表面原位异质结构，其特征在于，金属硫化物表面原位异质结构为金属硫化物及其表面原位构建的金属氧化物。

3.权利要求1或者2所述金属硫化物表面原位异质结构的制备方法，其特征在于，在纳米硫化物表面原位构建纳米金属氧化物，得到金属硫化物表面原位异质结构。

4.根据权利要求3所述金属硫化物表面原位异质结构的制备方法，其特征在于，金属包括钼或锡。

5.根据权利要求4所述金属硫化物表面原位异质结构的制备方法，其特征在于，金属硫化物包括二硫化钼或二硫化锡；金属氧化物包括三氧化钼或二氧化锡。

6.根据权利要求3所述金属硫化物表面原位异质结构的制备方法，其特征在于，采用水热法制备纳米硫化物。

7.根据权利要求3所述金属硫化物表面原位异质结构的制备方法，其特征在于，采用氧化法在纳米硫化物表面原位构建纳米金属氧化物。

8.一种气体传感器，包括电极、气敏材料，其特征在于，所述气敏材料为权利要求1或者2所述金属硫化物表面原位异质结构。

9.权利要求1或者2所述金属硫化物表面原位异质结构在制备气体传感器中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，气体为二氧化氮。

技术总结
本发明公开了一种金属硫化物表面原位异质结构及制备方法与气敏应用，基于不同类型半导体材料的气敏传感机理，以过渡金属硫族化合物为基体，通过原位改性技术构建不同类型的表面异质结构，有效改善室温下过渡金属硫族化合物气体传感器的气敏性能。基于二硫化钼（MoS<subgt;2</subgt;）纳米花负载三氧化钼（MoO<subgt;3</subgt;）纳米颗粒的p‑n型表面异质结构，其在室温下对二氧化氮（NO<subgt;2</subgt;）气体表现出优异的气敏性能，对1 ppm NO<subgt;2</subgt;气体的响应值远高于其它测试气体，表现出对NO<subgt;2</subgt;气体优异的选择性。基于二硫化锡（SnS<subgt;2</subgt;）纳米花负载二氧化锡（SnO<subgt;2</subgt;）纳米颗粒的n‑n型表面异质结构，增强了SnS<subgt;2</subgt;/SnO<subgt;2</subgt;复合材料的导电率，从而有效降低SnS<subgt;2</subgt;/SnO<subgt;2</subgt;复合材料的整体电阻，并在室温下对NO<subgt;2</subgt;气体表现出优异的气敏性能。

技术研发人员：王艳艳,杨成,严晋龙
受保护的技术使用者：苏州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/25