Small Science:可见光驱动光电可逆气体传感的二维硫酸钯

原创署名:潘奕辰

与常见的块状形态相比,材料以原子级厚度的二维形态存在时显示出明显不同的特性。其中,二维贵金属硫化物具有特殊的光电特性,如大带隙、可调节的光学和电子特性以及表面等离子体共振等,光子学和光学传感方面有很高的应用潜力。然而,由于贵金属硫化物主要为非层状晶体结构(即各向同性材料),在所有三个维度上都具有很强的原子共价键,使得常规技术的剥离效率低下,难以从本体对应物中获得二维材料。

近日,来自皇家墨尔本理工大学欧建臻和西南交通大学李中等首次使用优化的液体剥离路线从非层状块状硫化钯(PdS)粉末中合成了二维平面的硫酸钯(PdSO4),并将所获得的PdSO4纳米片用于气体传感器,实现了室温-低功率光照射下对NO2气体的可逆、灵敏和高选择性传感。

在本工作中,作者首先将PdS粉末与少量N.N-二甲基甲酰胺混合研磨,再在探针超声仪的高功率机械搅拌过程中对研磨物的分散体系破碎2h,之后对体系进行离心分离和乙醇洗涤,最终获得剥离的二维纳米片。透射电子显微镜和原子力显微镜表征显示,所剥离的PdSO4纳米片厚度约3.3±0.5 nm,横向尺寸约为0.50±0.35 µm。选取电子衍射图案则表明材料具备晶体特征,晶格条纹的d间距为3.5和2.5 Å。此外,作者还通过X射线光电子能谱、能量色散谱和X射线衍射进一步研究了材料的转化过程。

然后,作者将获得的二维PdSO4纳米片滴铸到叉指电极上,制备了气体传感器,并评估了室温下其在450、520、620 nm波长光线照射下的气体传感性能。实验结果显示,该材料在低波长下具有更强的光吸收特性,因此在蓝光照射下具有最好的表现,当NO2气体为100ppb时,响应因子为3.24,大于红光(1.25)和绿光(1.60)。

另外,作者还评估了不同气体浓度下该气体传感器的动态性能。如下图a所示,NO2气体浓度在20~160 ppb范围内增加时,传感器的响应和恢复时间几乎保持稳定。同时,该气体传感器对NO2具有极低的检出限(1.84 ppb),且对其他气体(O2、CO2、H2、H2S和CH4)的响应因子远低于NO2,因此具有很好的选择性。这项工作证明了生产二维贵金属硫化物的可行性,并且其在开发高性能光电器件和传感器方面具有强大的潜力。

2D Palladium Sulphate for Visible-Light-Driven Optoelectronic Reversible Gas Sensing at Room Temperature

Turki Alkathiri, Kai Xu*, Bao Yue Zhang, Muhammad Waqas Khan, Azmira Jannat, Nitu Syed, Ahmed F. M. Almutairi, Nam Ha, Manal M. Y. A. Alsaif, Naresha Pillai, Zhong Li*, Torben Daeneke, Jian Zhen Ou*

Small Science

10.1002/smsc.202100097

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smsc.202100097