Small Structures: 二维纳米片自组装成的一维纳米结构用于NO2传感器

  • 研究背景:

自组装是高产量构建大规模有序结构和超晶格的最具吸引力的策略之一,基于该方法构建的纳米结构不仅能继承原材料的部分优异性能,并且其形貌和组分都可以得到有效调节。近年来,新兴的二维纳米材料,包括石墨烯以及过渡金属二卤族化物(TMDs)为自组装过程提供了更丰富的可供选择的原料。例如,氧化石墨烯(GO)以及还原氧化石墨烯(rGO)纳米片可用来自组装制备从一维(1D)到三维(3D)不同维度的纳米结构;此外,基于张华课题组此前提出的一种普适的自组装策略,单层或少层的TMDs(包括MoS2,TiS2,TaS2,TaSe2,WSe2等)可以自组装成不同尺寸的纳米线和纳米环(J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 1565−1571)。然而,在该自组装策略中,需要加入高分子聚合物(例如:P123)。最近,研究者们又提出了一种基于易挥发有机溶剂(例如:乙醇)来自组装单层MoS2和WS2薄膜的组装策略,然而这种自组装方法的产量非常有限(ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 13011-13018)。因此,提出一种新的简单有效的,可高产量,大规模将二维纳米片自组装成一维纳米结构的方法就变得非常迫切。

  • 文章概述:

香港城市大学张华课题组联合谭超良课题组以及电子科技大学太惠玲课题组共同报道了一种简单普适且无需表面活性剂的自组装方法,该方法实现了在几分钟内将单层GO,MoS2,TiS2以及TaS2纳米片高产量大规模自组装成一维纳米结构。通过使用不同的溶剂(即四氢呋喃(THF)和丙酮),单层纳米片原材料可被选择性地自组装成纳米线或者纳米环。基于得到的rGO纳米线,他们成功制备了NO2气体传感器,以此验证了该方法得到的自组装产物的巨大应用潜力。

  • 图文导读:
图1 a. 超薄二维纳米片自组装成一维纳米线或者纳米环示意图。b,c. GO的SEM表征图。d. GO纳米线的AFM表征图。e, f. MoS2纳米线的SEM表征图。g. MoS2纳米线的AFM表征图。
图2 a,b. TaS2纳米线的SEM表征图。c,d. TiS2纳米线的SEM表征图。
图3 a,b. GO纳米环的SEM表征图。c,d. MoS2纳米环的SEM表征图。e,f. TaS2纳米环的表征图。g,h. TiS2纳米环的表征图。
图4 a. 基于rGO纳米线的气体传感器示意图。b. 基于rGO纳米线器件的Id–Vd曲线。插图:基于rGO纳米线器件的光镜照片。c. 基于rGO纳米线的气体传感器对不同NO2浓度的实时响应曲线。插图:传感器的响应率与NO2气体浓度的拟合曲线。d. 基于rGO纳米线的气体传感器对浓度为30 ppm的NO2的实时响应曲线。e. 基于rGO纳米线的气体传感器对浓度为10 ppm的NO2,10 ppm的NH3,10 ppm的CO,1000 ppm的CO2的响应率。f. 基于rGO纳米线的气体传感器对不同潮湿度的模拟空气的实时响应曲线。
  • 结论:

研究人员分别将包含单层GO,MoS2,TiS2,以及TaS2纳米片原材料的THF悬浮液在室温下涡旋1分钟后,得到了由原材料自组装构建的直径在20–50纳米,长度为几十微米的相应纳米线。通过将THF溶剂置换成丙酮溶剂,在类似的实验条件下,单层GO,MoS2,TiS2,以及TaS2纳米片原材料可以自组装成相应的纳米环,这些纳米环的直径在200–500 纳米之间。研究人员将热还原后的GO纳米线用作沟道材料制备了具有高选择性的气体传感器,该气体探测器对NO2的探测极限可以达到75 ppb。该方案有望将多种二维纳米片高产量自组装成一维纳米结构,其得到的自组装产物有着广泛的应用前景。

论文信息:

Self-Assembly of 2D Nanosheets into 1D Nanostructures for Sensing NO2

Jiajia Zha, Zhen Yuan, Zhan Zhou, Yang Li, Jiangqi Zhao, Zhiyuan Zeng, Liang Zhen, Huiling Tai*, Chaoliang Tan*, Hua Zhang*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202100067

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202100067