利用基于MoSe?/WO?复合材料的传感平台实现室温下一氧化氮（NO）的检测

《Sensors and Actuators A: Physical》：Room temperature Nitric oxide (NO) detection using MoSe 2/WO 3 composite based sensing platform

基于MoSe2/WO3复合材料的室温硝基氧化物气体传感器研究，采用两步水热法制备了MoSe2/WO3纳米复合材料器件。在30℃环境下，传感器可检测至2 ppm的NO气体，响应度达63.5%，具有快速恢复（平均70-80秒）、高稳定性和环境适应性（相对湿度40%）。相较于传统金属氧化物半导体传感器，该复合结构在室温下展现出更优的灵敏度、选择性和低功耗特性，为实际环境及医疗领域的NO监测提供了新方案。

　　本文探讨了一种基于MoSe?/WO?复合材料的低成本、可扩展且高灵敏度的室温氮氧化物（NO）气体传感器。氮氧化物是一种无色、有毒且具有刺激性气味的气体，主要来源于化石燃料的燃烧过程。由于其对环境和人体健康的潜在危害，特别是在低浓度下的检测需求，因此开发一种能够在常温下实现高灵敏度和选择性的NO检测设备具有重要意义。

在环境方面，NO是已知的主要污染物之一，它不仅会导致酸雨，还与光化学烟雾的形成密切相关。因此，对NO浓度的监测对于评估空气质量至关重要。此外，在医学领域，NO分子在多种生物功能中扮演重要角色，例如作为信号分子参与细胞通讯，并且在哮喘等疾病中被用作生物标志物。高浓度的NO（如超过25 ppm）会对人体产生直接的毒害作用，因为它具有强氧化性，可能会降低血红蛋白携带氧气的能力，并导致产生甲基血红蛋白，从而引发神经毒性。因此，NO的检测不仅在环境监测中具有重要价值，同时在医疗诊断和健康防护方面也显得尤为关键。

目前，NO检测的研究主要集中在高温环境下，虽然这在一定程度上提高了检测性能，但高温操作会增加设备的热预算，使得其在便携式应用中面临较大挑战。因此，研究者们开始寻求能够在常温下实现高灵敏度和选择性的检测方案。近年来，二维（2D）半导体过渡金属二硫属化物（TMDCs）因其独特的物理特性，如层依赖的带隙、良好的电导率和多功能性，被广泛应用于多种领域，包括电催化剂、储能材料、光电探测器和化学传感器。特别是在化学传感器方面，TMDCs材料因其低维结构，可以有效提升表面与体积的比例，从而增强检测灵敏度，并且其较低的带隙和较高的电导率有助于在常温下实现低功耗的电子信号转换。

在现有的TMDCs基传感器中，虽然在某些情况下可以实现较高的灵敏度，但仍然存在响应迟滞的问题，这通常是因为气体分子在材料层中被吸附，导致其难以释放。为了克服这一问题，研究者们尝试通过构建复合材料、异质结构或引入合适的掺杂元素等方法，以改善传感器的响应速度和可逆性。基于这一思路，本文提出了一种基于MoSe?/WO?复合材料的传感器设计，该设计不仅实现了在常温下的高灵敏度检测，还具有良好的选择性和可逆性，为NO检测提供了新的可能性。

在材料选择方面，MoSe?和WO?均是具有良好性能的半导体材料。MoSe?因其独特的电子结构和光学特性，被广泛用于气体传感器的研究。而WO?作为一种n型半导体材料，具有较高的灵敏度和选择性。通过将这两种材料结合，形成MoSe?/WO?复合材料，可以有效提升传感器的整体性能。该复合材料不仅在常温下表现出优异的响应能力，而且其结构特性也使得气体分子能够快速与材料表面相互作用，并在检测后迅速释放，从而实现快速的响应和恢复。

在实验研究中，所制备的MoSe?/WO?复合材料传感器在常温（30°C）下能够检测到低至2 ppm的NO气体，并且其响应率分别为0.85%和63.5%，分别对应于2 ppm和30 ppm的NO浓度。同时，该传感器的响应和恢复时间分别为70秒和80秒，表明其在低浓度下的响应速度较快。此外，该传感器在相对湿度为40%的环境下表现出良好的稳定性和重复性，进一步证明其适用于实际应用。

为了实现这一目标，研究团队采用了一种两步水热法合成MoSe?/WO?复合材料。通过结构分析可以确认复合材料的成功合成，同时分析结果也表明在水热合成过程中，MoSe?中不可避免地存在一定量的MoO?。这一现象虽然在一定程度上可能影响材料的性能，但通过对复合材料的优化设计，仍然能够实现高效的NO检测。

此外，本文还对所使用的材料进行了详细的化学分析。所使用的前驱体包括Na?WO?·2H?O、草酸（H?C?O?）、Nafion溶液、Na?MoO?·2H?O、硒粉和肼（N?H?），均来自Sigma-Aldrich公司。其他化学品如盐酸（HCl）、硫酸（H?SO?）、二甲苯、甲醛（HCHO）、N-甲基吡咯烷酮（NMP）、甲醇（99.8%）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF，99.5%）、三乙胺（TEA）、三甲胺（TMA）、纯乙醇（99.8%）和氨（NH?）等也被用于材料的合成和表征。这些材料的选择和使用为复合材料的合成提供了重要的基础。

为了进一步确认材料的结构特性，研究团队对MoSe?、WO?及其复合材料进行了X射线衍射（XRD）分析。XRD图谱显示，MoSe?呈现出三个宽泛的峰，这表明其为水热合成的TMDCs材料。而WO?的衍射图谱则显示了多个明显的峰，这些峰对应于不同的晶面结构。通过对这些图谱的分析，可以确认MoSe?/WO?复合材料的形成，并进一步揭示其在不同晶面结构下的分布情况。这些结构特性不仅有助于理解材料的物理行为，也为优化传感器性能提供了理论依据。

在气体传感机制方面，实验数据表明该传感器在暴露于氧化性气体（如NO、NO?和CO）时，其传感电阻会增加，而在暴露于还原性气体（如氨、DMF、TEA或TMA）时，其传感电阻则会降低。这一现象表明，MoSe?/WO?复合材料表现出类似于n型半导体的特性。此外，该传感器的响应机制也表明其在检测过程中能够与NO分子发生有效的相互作用，并在检测后迅速恢复，从而实现高灵敏度和可逆性的检测性能。

本文的研究成果为未来开发更高效、更灵敏的化学电阻式气体传感器提供了重要的参考。通过结合MoSe?和WO?两种材料的优势，研究人员成功开发出一种能够在常温下实现低浓度NO检测的传感器。这种传感器不仅具有较低的功耗，而且其响应和恢复时间较短，适合于实时监测和便携式应用。此外，该传感器在相对湿度为40%的环境下表现出良好的稳定性和重复性，进一步证明其在实际应用中的可靠性。

综上所述，本文提出了一种基于MoSe?/WO?复合材料的室温NO气体传感器，该传感器具有低功耗、高灵敏度、良好的选择性和可逆性，适用于环境和医疗领域的广泛应用。通过结合材料的结构特性、化学性能和物理行为，研究人员为未来开发更高效的气体传感器提供了新的思路和技术路径。这一研究不仅拓展了TMDCs材料在气体传感领域的应用前景，也为实现更环保、更智能的气体检测系统奠定了基础。