DOI:10.1021/acsami.0c05953

近年来，室温柔性气体传感器因其无需加热即可工作，并能产生具有长期稳定性的低成本、低功耗器件而得到了广泛的研究。在此，通过设计活性材料的成分和结构，研究者报告了一种由二维MoS2纳米片和嵌入CoS2纳米粒子接枝的静电纺碳纳米纤维（CNF）网络，它可以作为一种在室温下工作的各种有毒有害气体的柔性气体传感器。尤其，CNFs/CoS2/MoS2杂化膜对NO的选择性高于NO2和CH4等其它气体，选择性系数（|SNO/SNO2|和|SNO/SCH4|）分别高达43和42（定义为两种气体之间的响应比率）。该传感器在1-100 ppm的气体浓度范围内呈线性关系，并且在反复弯曲过程中具有稳定的响应。理论计算表明，MoS2可以通过NO选择性地氮掺杂，而CoS2可以有效地捕获NO分子，从而提高了选择性和灵敏度。研究者通过协同设计制备的大面积柔性传感器在生物和环境领域具有潜在的应用，可低成本、选择性地检测有毒或目标气体。

图1.分层CNFs/CoS2/MoS2复合纤维膜的制备，显示出诸如大面积、柔性和易于加工成图案的特征。（a）显示制备过程的示意图，包括ZIF-67的合成、混合PAN和ZIF-67的静电纺丝、随后的氧化、碳化和水热步骤，以及最终混合产物的图解。（b）大面积PAN/ZIF-67复合纤维膜沉积在直径10厘米的玻璃培养皿中的数码照片。（c）弯曲预氧化的PAN/ZIF-67复合膜和（d）弯曲碳化的CNF/Co复合膜。（e）CNFs/CoS2/MoS2复合膜切片。

图2.CNFs/CoS2/MoS2复合膜的结构表征。（a，b）不同放大倍数的SEM图像显示了多孔纳米纤维网络的形态。（c）由接枝在CNF上的MoS2薄片组成的核-壳结构的TEM图像。（d）CNFs/CoS2/MoS2杂化结构的HRTEM图像和EDS图像，显示出CoS2纳米颗粒。（e）单CNFs/CoS2/MoS2纤维的C、Co、Mo和S元素映射图像和Co的HAADF。

图3.光谱分析。（a）CNFs/CoS2/MoS2复合膜的XPS光谱。（b）Mo 3d光谱。（c）Co 2p光谱。（d）S 2p光谱。（e）CNF、CNFs/MoS2和CNFs/CoS2/MoS2复合膜的XRD。

图4.基于CNFs/CoS2/MoS2复合膜的柔性气体传感器在暴露于不同气体（包括NO、NO2、NH3和CH4）下的响应。（a）基于CNFs/CoS2/MoS2复合膜的气体传感器的选择性。（b）比较这项研究中CNF/CoS2/MoS2与其他典型材料（参考文献8、12、23、26）的选择性系数（K's）。（c）CNFs/CoS2/MoS2传感器暴露于NO（1、10、20、50和100 ppm）并完全恢复后的响应和恢复曲线。插图是通过实验获得的数据以及线性拟合响应与NO浓度的关系图。（d）打开/关闭50 ppm NO流量的循环响应曲线。（e）CNFs/CoS2/MoS2复合膜气体传感器暴露于50 ppm NO时在不同弯曲角度下的响应。插图是复合膜在弯曲循环之前和之后的SEM图像，以及在不同弯曲角度下气体传感器的光学图像。

图5.机理分析和理论计算。（a）基于CNF、CNFs/MoS2、CNFs/CoS2和CNFs/CoS2/MoS2复合膜的气体传感器在暴露于50 ppm NO时的响应。（b）基于CNFs/MoS2、CNFs/CoS2和CNFs/CoS2/MoS2复合膜的气体传感器在暴露于不同浓度（1、10、20、50和100 ppm）的NO时的响应。（c）吸附在MoS2上的NO的几何结构。（d）NO/MoS2和NO2/MoS2的PDOS。（e）NO/MoS2的电荷差密度。（f）吸附在CoS2（100）上的NO的几何结构。（g）NO/CoS2（100）的PDOS。（h）NO/CoS2（100）的扩散电荷密度。