水热合成二硫化钼纳米片的结构、电学特性及其天线基气体传感性能研究

为解决室温(RT)下挥发性有机化合物(VOCs)实时、低功耗、选择性检测的难题，研究人员通过水热法合成二硫化钼(MoS2)纳米片，系统研究反应时间对其结构、电学特性的影响，并集成射频(RF)天线构建无线传感平台。该传感器对甲醇(1000-8000 ppm)表现出高选择性和57.5 ppm检测限，30天稳定性优异，为环境监测提供了新型解决方案。

　　

随着工业化进程加速，挥发性有机化合物(VOCs)的环境监测需求日益迫切，但现有传感器普遍面临功耗高、选择性差、需高温工作等问题。尤其甲醇作为典型工业污染物，其室温检测技术长期受限于材料灵敏度和稳定性不足。传统金属氧化物传感器虽响应高，但工作温度常超过200°C，导致能耗剧增；而二维材料如石墨烯虽具备室温传感潜力，却易受湿度干扰且缺乏特异性。如何通过材料设计与器件创新实现VOCs的高效识别，成为环境传感领域的核心挑战。

针对这一科学问题，某研究团队在《Sensors and Actuators A: Physical》发表研究，提出将水热合成的二硫化钼(MoS₂)纳米片与射频天线集成的创新方案。通过调控水热反应时间(12-48小时)，获得具有纳米片(NF)形貌的MoS₂/MoO_x复合结构，其晶格间距为267皮米(pm)。X射线衍射(XRD)证实2H相(六方晶系)MoS₂主导，傅里叶变换红外光谱(FTIR)检测到Mo-S键(472 cm^-1)和Mo-O键(820 cm^-1)，X射线光电子能谱(XPS)进一步量化了MoS₂/MoO₃/MoO₂的相比例。这些材料被涂覆于双功能天线 transducer(换能器)上，构建无线传感系统。

结构表征与相组成调控
水热时间延长至36小时时，MoS₂结晶度显著提升，但超过48小时会促进MoO_x氧化相生成。XPS显示Mo⁴⁺(MoS₂)与Mo⁶⁺(MoO₃)的比值可调，该比例直接影响材料电导率。

气敏性能与机理
在室温条件下，MoS₂-NF传感器对甲醇的响应值达1.41(8000 ppm时)，远超乙醇(0.23)、丙酮(0.18)等干扰物。当MoS₂/MoO_x>3时，传感器呈现线性剂量响应(R²=0.992)，归因于MoS₂边缘硫空位对甲醇的特异性吸附。天线共振频率偏移Δf与浓度呈正相关，实现无线信号输出。

稳定性与选择性验证
30天测试后响应衰减<8%，主成分分析(PCA)显示甲醇数据点与其他VOCs明显分离，证实材料抗干扰能力。氧化相MoO_x的存在被证明可稳定硫空位，抑制性能退化。

该研究突破性地将二维材料本征特性与无线传感架构结合，阐明相组成-电导率-气敏性能的构效关系。所开发的平台无需导线供电，检测限达57.5 ppm，为工业泄漏监测、智能家居等领域提供革新性技术路径。未来通过调控硫空位密度或引入贵金属修饰，有望进一步提升对甲醛等剧毒VOCs的灵敏度。