通过原位化学气相沉积（CVD）合成具有垂直生长碳纳米片的3D分层碳纤维，用于室温下的NO?气体传感

《Materials Research Bulletin》：3D hierarchical carbon fibers with vertically-grown carbon nanoflakes by in-situ CVD synthesis for NO 2 gas sensing at room temperature

3D纳米结构因其高比表面积和丰富的活性位点成为气体传感材料的理想选择，但传统制备方法存在化学毒性强、工序复杂和耗时等问题。本研究通过原位化学气相沉积（CVD）技术，以聚丙烯腈（PAN）纤维为前驱体，成功制备了碳纤维@垂直生长碳纳米片（CF@VGCNFs）三维多孔结构，其晶格缺陷减少62.5%，表面电阻降低至12.3Ω/sq。NO?传感测试表明该结构检测限达5ppb，灵敏度提升2倍。

　　

权硕勋（Seokhun Kwon）| 诺智焕（Jihwan Noh）| 申泰镐（Taeho Shin）| 禹成宇（Sungwoo Eo）| 黄贤锡（Hyunsuk Hwang）| 康贤一（Hyunil Kang）

韩国大田市裕城区东西大路125号，汉巴特国立大学电气工程系，邮编34158

摘要

由于3D纳米结构具有较高的表面积与体积比，为气体吸附提供了丰富的活性位点，因此它们作为气体传感材料受到了广泛关注。然而，传统的制备方法通常涉及有毒化学物质、复杂的工艺和较长的处理时间，这凸显了需要一种更简单、更高效的方法来构建3D纳米结构。在本研究中，通过一系列原位工艺制备了一种基于碳的3D层次纳米结构。该过程从PAN纤维前体的稳定化开始，这是碳纤维（CFs）转化的初始阶段，然后通过CVD工艺合成了垂直生长的碳纳米片（VGCNFs）。原位CVD合成不仅实现了VGCNFs的制备，还改善了碳纤维晶格中的结构缺陷。此外，原位CVD合成显著降低了片状电阻，进一步减少了结构缺陷。在随后的NO₂传感测试中，3D层次纳米结构的传感性能提高了2倍。因此，原位CVD合成可以被视为构建基于碳的3D层次纳米结构的一种合理且有效的方法。

部分内容摘录

引言

近年来，随着对全球变暖、环境污染和气候变化的关注日益增加，可靠且高性能的气体传感器的开发受到了广泛关注[[1], [2], [3]]。在各种有害气体中，二氧化氮（NO₂）因其高毒性、强氧化性以及在城市和工业环境中的普遍存在而尤为突出[[4], [5], [6]]。NO₂排放的主要来源是……

通过静电纺丝法制备PAN纤维前体

为了制备15 wt%的PAN基聚合物溶液，将1.2克PAN粉末（Goodfellow公司，粒径：50 μm，分子量：85,000 g/mol，英国）溶解在7.2毫升N,N-二甲基甲酰胺（DMF，纯度：99.5%，Duksan Reagents公司，韩国）中。在70°C和200 rpm的条件下搅拌12小时以确保完全溶解。将制备好的PAN基聚合物溶液装入带有23号针头的10毫升注射器中，然后使用静电纺丝设备进行纺丝。

CF@VGCNFs的合成、结构分析和电学性质

为了合成用于NO₂气体传感的最终产品CF@VGCNFs，我们进行了一系列实验步骤。图1d展示了每个合成步骤所得样品的图片，包括最终的CF@VGCNFs。静电纺丝得到的PAN纤维被选为碳材料合成的起始前体。这些纤维整体呈白色，略带透明度，可以隐约看到背景。随后……

结论

总之，我们证明了通过原位CVD合成在预先制备的CFs核心周围生长的碳纳米片在提高NO₂传感性能方面发挥了关键作用。纳米级的碳纳米片在预先制备的CFs表面密集生长，并具有丰富的活性位点。碳自由基的优异反应性和扩散性促进了纳米片在整个CFs网络中的均匀且大面积生长。此外，原位CVD合成……

作者贡献声明

权硕勋（Seokhun Kwon）：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原始草稿、方法论、数据分析、概念化。诺智焕（Jihwan Noh）：研究、数据分析。申泰镐（Taeho Shin）：数据分析。禹成宇（Sungwoo Eo）：方法论、研究。黄贤锡（Hyunsuk Hwang）：研究。康贤一（Hyunil Kang）：指导。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了汉巴特国立大学2022年的研究基金支持。