CuFe2O4 / MoS2 heteroestruturas de dimensões mistas com resposta de detecção de gás aprimorada
Resumo
Dimensões mistas (2D + n D, n =0, 1 e 3) as heteroestruturas abriram um novo caminho para estudos de física fundamentais e projetos de nanodispositivos aplicados. Aqui, um novo alinhamento de bandas escalonadas tipo II CuFe 2 O 4 / MoS 2 heteroestruturas de dimensões mistas (MHs) que apresentam uma resposta de detecção de gás acetona distinta e aprimorada (20-28%) em comparação com CuFe 2 puro O 4 nanotubos são relatados. Com base nas caracterizações estruturais e nos resultados do cálculo DFT, o mecanismo provisório para a melhoria do desempenho de detecção de gás do CuFe 2 O 4 / MoS 2 MHs podem ser atribuídos ao efeito sinérgico do alinhamento da banda tipo II e o MoS 2 sites ativos.
Introdução
A integração de materiais nanoestruturados com propriedades físicas diferentes é essencial para a criação de dispositivos multifuncionais e tem sido uma busca da comunidade científica de nanomateriais [1,2,3,4,5]. Materiais em camadas bidimensionais (2D), como grafeno, g-C 3 N 4 e MoS 2 , têm recebido ampla atenção interdisciplinar [6,7,8,9,10,11,12,13], devido ao seu potencial em diversas tecnologias, incluindo sensores, eletrônicos, optoeletrônicos e assim por diante [14,15,16,17 , 18,19,20]. Em particular, os materiais em camadas 2D fornecem uma nova plataforma para a construção de heteroestruturas de dimensões mistas (MHs) de forma eficiente com nanoestruturas 0D e 1D (incluindo pontos quânticos, nanofios e nanotubos) [21,22,23,24,25,26,27, 28,29]. De acordo com relatórios anteriores, a condutividade elétrica, a atividade de superfície e a resposta de detecção de MHs podem ser eficientemente adaptadas ao escolher os materiais candidatos adequados [30,31,32,33,34,35]. Embora a maioria das pesquisas tenha se concentrado nas novas propriedades físicas de MHs com base em materiais em camadas 2D, mais esforços ainda são necessários para desenvolver os nanodispositivos baseados em 0D / 1D MH. CuFe 2 O 4 é um importante semicondutor de óxido de metal tipo n com um bandgap indireto na faixa de 1,3-1,95 eV [36, 37], que tem sido considerado um material promissor para sensores de gás devido à sua abundância natural, baixo custo, compatibilidade ambiental, interface eletrônica simples, baixa manutenção, facilidade de uso e fabricação [38,39,40]. É importante notar que o CuFe 2 O 4 sensores de gás baseados em exibiram respostas relativamente baixas para alguns gases-alvo (como etanol e acetona) [37]. Portanto, é significativo melhorar o desempenho de sensibilidade do CuFe 2 O 4 com base em sensores de gás pelo design razoável de MHs. MoS 2 é um dos materiais 2D mais proeminentes possuindo um bandgap de 1,2-1,8 eV, por causa da alta relação entre superfície e volume e altamente sensível à adsorção de oxigênio, permitindo sua exploração em aplicações de detecção química [41].
Neste artigo, relatamos um CuFe 2 O 4 / MoS 2 MHs (1D / 2D) pela primeira vez sintetizado pelo método de duas etapas usando eletrofiação seguida por um processo hidrotérmico. As morfologias, estruturas cristalinas e composições do CuFe 2 O 4 / MoS 2 Os MHs foram confirmados e os resultados da teoria da função de densidade (DFT) indicam ainda a formação do alinhamento de banda do tipo II nos MHs. O CuFe 2 O 4 / MoS 2 MHs têm vantagens óbvias para detecção de gás, que se beneficia do alinhamento de banda tipo II e locais ativos em MoS 2 nanofolhas ultrafinas. Propriedades de detecção de gás do CuFe 2 O 4 / MoS 2 MHs são estudados em gases de etanol e acetona. Como era de se esperar, o sensor baseado em MHs mostra um desempenho de detecção de gás substancialmente aprimorado em comparação com CuFe puro 2 O 4 nanotubos, portanto, sugerindo aplicações potenciais de CuFe 2 O 4 / MoS 2 MHs em sensores de gás altamente sensíveis.
Seção de método
Síntese de CuFe 2 O 4 / MoS 2 MHs
Os processos de preparação detalhados de CuFe 2 O 4 / MoS 2 MHs são mostrados na Fig. 1. Em primeiro lugar, o CuFe puro 2 O 4 nanotubos foram pré-sintetizados pelo método de eletrofiação. Em primeiro lugar, 0,5 mmol de Cu (NO 3 ) 2 · 3H 2 O, 1,0 mmol de Fe (NO 3 ) 3 · 9H 2 O e 0,68 g de polivinilpirrolidona (PVP) foram dissolvidos em 5 mL de etanol e 5 mL de N, N-Dimetilformamida (DMF). Após agitação por 6 h, a solução acima foi colocada em uma seringa e injetada com uma taxa de alimentação de 0,4 mL h −1 . Uma tensão DC de 15 kV foi aplicada entre a ponta da agulha e a tela de aço inoxidável com uma distância de 18 cm. As fibras precursoras como fiadas foram coletadas em um forno tubular e mantidas a 500 ° C por 2 h ao ar.
Ilustração esquemática dos processos de preparação de CuFe 2 O 4 / MoS 2 MHs
O CuFe 2 O 4 / MoS 2 Os MHs foram sintetizados por método hidrotérmico na segunda etapa. CuFe 2 O 4 nanotubos foram dispersos em água desionizada (DI) (15 mL) por meio de sonicação. O (NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 · 4H 2 O e CN 2 H 4 S foram então adicionados à mistura. Após agitação durante 30 min, a solução foi transferida para uma autoclave de politetrafluoroetileno (PTFE) de 25 mL e mantida a 200 ° C durante 10 h. Por fim, os MHs foram coletados em uma centrífuga, lavados com água DI e secos a 60 ° C.
Caracterização microestrutural
A morfologia e estrutura do CuFe puro 2 O 4 nanotubos e CuFe 2 O 4 / MoS 2 MHs foram caracterizados por microscopia eletrônica de varredura por emissão de campo (FE-SEM, FEI NanoSEM200). Os padrões de difração de raios-X (XRD) foram registrados em um Rigaku Smartlab com radiação Cu Kα operando a 45 kV e 200 mA. As medições de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) foram realizadas no JEOL 2100F. O espectrômetro de energia dispersiva de raios-X (EDS) foi introduzido para identificar a composição química. As medições Raman foram realizadas usando um Renishaw inVia em temperatura ambiente com um laser de excitação de 532 nm (2 mW).
Fabricação e medição de sensores de gás
Os sensores de gás foram fabricados revestindo a mistura dos materiais testados (CuFe puro 2 O 4 ou CuFe 2 O 4 / MoS 2 MHs) e água DI nas matrizes de eletrodos interdigitados de Au (lacuna e largura são 200 μm) no SiO 2 Substrato / Si. As propriedades de detecção de gás dos sensores foram medidas usando um sistema comercial CGS-4TPs (Beijing Elite Tech Co., Ltd., China). A resposta é definida como R a / R g , onde R a é a resistência no ar atmosférico e R g é a resistência no gás testado, respectivamente.
Resultados e discussão
As morfologias do CuFe puro 2 O 4 nanotubos e CuFe 2 O 4 / MoS 2 MHs são mostrados na Fig. 2 e arquivo adicional 1:Figura S1. Ambas as amostras são nanoestruturas tubulares bem definidas com várias dezenas de micrômetros de comprimento e 70-150 nm de diâmetro, o que pode ser confirmado pela seção transversal de nanotubos quebrados (arquivo adicional 1:Figura S1b). As imagens SEM (Fig. 2a, b) mostram CuFe 2 O 4 / MoS 2 Os MHs ainda mantêm a estrutura tubular original após o processo hidrotérmico. E podemos ver que o CuFe 2 O 4 os nanotubos têm uma superfície relativamente lisa antes da composição com o minúsculo MoS 2 , enquanto as superfícies ásperas aparecem no CuFe 2 O 4 / MoS 2 MHs. Além disso, espectroscopias Raman foram realizadas para verificar a presença de MoS 2 no CuFe 2 O 4 / MoS 2 MHs. Os fortes modos vibracionais de CuFe 2 O 4 (T 2g - 477 cm −1 , A 1g - 685 cm −1 ) e MoS 2 (\ ({\ mathrm {E}} _ {2 \ mathrm {g}} ^ 1 \) - 382 cm −1 , A 1g - 409 cm −1 ) podem ser encontrados em CuFe puro 2 O 4 nanotubo ou MoS 2 amostras de nanofolhas (Fig. 2c). Comparando com o CuFe puro 2 O 4 nanotubos e MoS 2 nanofolhas (arquivo adicional 1:Figura S2), o modo vibracional Raman de CuFe 2 O 4 (T 2g , A 1g ), e MoS 2 (\ ({\ mathrm {E}} _ {2 \ mathrm {g}} ^ 1 \), A 1g ) todos apareceram no espectro Raman de CuFe 2 O 4 / MoS 2 MHs. A posição desses quatro picos permanece inalterada, indicando a formação da estrutura composta de CuFe 2 O 4 e MoS 2 no CuFe 2 O 4 / MoS 2 MHs. Enquanto isso, os resultados de XRD de CuFe 2 puro O 4 e CuFe 2 O 4 / MoS 2 MHs são mostrados no arquivo adicional 1:Figura S3. Pode ser visto que os picos de difração de CuFe 2 O 4 estão bem indexados ao cartão JCPDS padrão (34-0425), revelando que o CuFe 2 O 4 pertence a uma estrutura tetragonal centrada no corpo. O padrão de XRD do CuFe 2 O 4 / MoS 2 é sobreposto pelos picos de difração de CuFe 2 O 4 e MoS 2 , respectivamente (o cartão JCPDS padrão de CuFe 2 O 4 (34-0425) e MoS 2 (06-0097)), e não há pico característico de impureza no padrão de XRD, indicando que o composto é constituído pelo CuFe 2 O 4 e MoS 2 só.
Caracterização SEM e Raman de CuFe 2 O 4 e CuFe 2 O 4 / MoS 2 MHs. Imagens FE-SEM de a CuFe puro 2 O 4 nanotubos e b CuFe 2 O 4 / MoS 2 MHs. c Espectros Raman de CuFe 2 puro O 4 nanotubos, MoS puro 2 nanofolhas e CuFe 2 O 4 / MoS 2 MHs
Para caracterizar ainda mais a microestrutura do CuFe 2 O 4 / MoS 2 MHs, observações de TEM foram realizadas, como mostrado na Fig. 3 a. As imagens TEM de baixa resolução (Fig. 3b) mostram que as superfícies de CuFe 2 O 4 os nanotubos são uniformemente cobertos com muitas nanofolhas hexagonais de 15 a 20 nm de diâmetro. A Figura 3 c dá as imagens TEM de alta resolução (HRTEM) de pequenas nanofolhas marcadas na Fig. 3b. O espaçamento das franjas da rede de 0,27 nm pode ser correspondido ao plano (100) de MoS 2 . Além disso, a morfologia e o tamanho do MoS 2 pode ser adaptado ajustando as condições de reação hidrotérmica (arquivo adicional 1:Figura S2). O padrão de difração de elétrons de área selecionada (SAED) também revela a simetria hexagonal para o MoS em camadas 2 (Arquivo adicional 1:Figura S4). Para demonstrar a distribuição do MoS 2 nanofolhas na superfície do CuFe 2 O 4 nanotubos, as imagens de mapeamento elementar EDS in situ de CuFe 2 O 4 / MoS 2 MHs (marcados na Fig. 3b) são realizados conforme mostrado na Fig. 4. A distribuição homogênea dos elementos Mo, S, Cu, Fe e O indica que um grande número de MoS 2 nanofolhas são uniformemente dispersas em CuFe 2 O 4 / MoS 2 MHs.
Caracterização TEM de CuFe 2 O 4 / MoS 2 MHs. Imagem TEM de baixa resolução de a CuFe 2 O 4 / MoS 2 MHs e b painel de zoom parcial a na linha pontilhada. c Imagem HRTEM da região na linha pontilhada no b
Resultado EDS do CuFe 2 O 4 / MoS 2 MHs. a Imagem SEM da amostra na linha pontilhada da Fig. 3a. b - f O mapa de intensidade de EDS no traje de Mo, S, Cu, Fe e O, respectivamente
A fim de investigar suas propriedades de detecção de gás, o CuFe puro 2 O 4 nanotubos e CuFe 2 O 4 / MoS 2 Sensores de gás MHs foram fabricados conforme mostrado na Fig. 5a e Arquivo adicional 1:Figura S5. As Figuras 5b e c predefinem as curvas de resposta-recuperação de CuFe 2 puro O 4 nanotubos e CuFe 2 O 4 / MoS 2 Sensores de gás MHs em direção a 100 ppm de etanol e acetona (6 ciclos), respectivamente. Após a composição com o MoS 2 nanofolhas, pode ser visto que o CuFe 2 O 4 / MoS 2 O sensor MHs mostra respostas positivas na exposição ao etanol e à acetona, que são cerca de 18–20% maiores do que aquelas do CuFe 2 puro O 4 nanotubos. Evidentemente, o CuFe 2 O 4 / MoS 2 O sensor MHs exibe respostas de detecção consistentes mesmo após 6 ciclos, indicando boa reversibilidade e repetibilidade. As Figuras 5d ee fornecem as curvas de resposta transitória dinâmica do CuFe 2 puro O 4 nanotubos e CuFe 2 O 4 / MoS 2 Sensores de gás MHs para várias concentrações de acetona (0,5–1000 ppm). O CuFe 2 O 4 / MoS 2 O sensor MHs exibe uma resposta melhorada a cada concentração de acetona (Fig. 5f). Em particular, a percentagem de melhoria na resposta da acetona excede 20% em concentrações de acetona não superiores a 50 ppm. É notável que as respostas de acetona melhoraram cerca de 18%, mesmo a 0,5 ppm. Isso significa que o CuFe 2 O 4 / MoS 2 MHs são mais sensíveis à acetona em contraste com CuFe puro 2 O 4 .
Medições de detecção de CuFe 2 O 4 / MoS 2 MHs. a Diagrama fabricado do sensor de gás e fotos do sensor de gás fabricado (CuFe 2 O 4 nanotubos e CuFe 2 O 4 / MoS 2 MHs). Detectando a reprodutibilidade do CuFe 2 O 4 nanotubos e CuFe 2 O 4 / MoS 2 Sensor de gás MHs a 100 ppm b etanol e c acetona. d , e Curvas de resposta-recuperação dinâmicas de CuFe 2 O 4 nanotubos e CuFe 2 O 4 / MoS 2 Sensores de gás MHs em diferentes concentrações de acetona. f A taxa de incremento de resposta do CuFe 2 O 4 / MoS 2 Dispositivo MHs em relação ao CuFe puro 2 O 4 dispositivo de nanotubo em diferentes concentrações de acetona
Para investigar o importante papel do MoS 2 nanofolhas na reação de detecção de gás, as estruturas de banda eletrônica do CuFe 2 O 4 e multicamadas MoS 2 foram calculados respectivamente usando DFT (Fig. 6a, b). O bandgap indireto de CuFe 2 O 4 e multicamadas MoS 2 é cerca de 1,3 eV e 1,2 eV, respectivamente. De acordo com os resultados, o alinhamento da banda de CuFe 2 O 4 / MoS 2 MHs é desenhado na Fig. 6c, que forma um alinhamento de banda do tipo II. A melhoria da resposta do sensor se manifesta em mudanças na resistência elétrica ( R a / R g ) na presença de ar ou gás-alvo. Por causa do alinhamento de banda do tipo II, os pares elétron-buraco podem ser separados efetivamente na interface de heterojunção. Os buracos permanecem dentro do CuFe 2 O 4 nanotubos, enquanto a maioria dos elétrons serão injetados no MoS 2 camadas. Quando o CuFe puro 2 O 4 ou CuFe 2 O 4 / MoS 2 Os sensores MHs são expostos ao ar, as moléculas de oxigênio serão adsorvidas na superfície dos sensores para gerar espécies de oxigênio (O 2 - , O - , e O 2− ) Enquanto isso, os elétrons livres são transferidos do CuFe 2 O 4 ou CuFe 2 O 4 / MoS 2 MHs para espécies de oxigênio na superfície dos sensores levam à diminuição da resistência elétrica ( R a ) No caso de detecção de gás alvo, a reação de espécies de oxigênio adsorvidas e moléculas alvo ocorrerá na superfície do sensor (por exemplo, CH 3 COCH 3 + 8O - → 3CO 2 + 3H 2 O + 8e - ) e liberam elétrons livres para o CuFe 2 O 4 ou CuFe 2 O 4 / MoS 2 MHs. Assim, a resistência do sensor ( R g ) diminui no gás alvo. Vale ressaltar que o MoS 2 as bordas oferecem alta densidade de sítios ativos potenciais para a reação de redução [42,43,44]. A Figura 6 d mostra a energia de adsorção calculada de CH 3 COCH 3 no CuFe 2 O 4 / MoS 2 MHs usando o método DFT. A energia de adsorção para CH 3 COCH 3 moléculas além da borda de CuFe 2 O 4 / MoS 2 MHs é - 30,07 eV (muito pequeno). Isso significa a borda de CuFe 2 O 4 / MoS 2 MHs são sites ativos para CH 3 COCH 3 moléculas. Beneficiando-se dos sites ativos no MoS 2 nanofolhas, o CuFe 2 O 4 / MoS 2 MHs obtiveram elétrons livres com mais eficiência em comparação com CuFe puro 2 O 4 (Fig. 6e). O efeito positivo é mais óbvio em baixas concentrações de gás-alvo. Enquanto o desempenho de resposta de gás melhorado é limitado nas concentrações extra-altas devido aos locais ativos limitados.
Resultados DFT de CuFe 2 O 4 / MoS 2 MHs. Estruturas eletrônicas de a CuFe 2 O 4 nanotubos e b MoS multicamadas 2 . c Ilustrações esquemáticas do alinhamento da banda tipo II em CuFe 2 O 4 / MoS 2 MHs. d A energia de adsorção de borda para CH 3 COCH 3 moléculas no CuFe 2 O 4 / MoS 2 MHs. e Modelo para o CuFe 2 O 4 / MoS 2 MHs em vapor de acetona
Conclusões
Relatamos um romance CuFe 2 O 4 / MoS 2 MHs e a óbvia melhora do desempenho de detecção da acetona. O CuFe 2 O 4 / MoS 2 MHs são confirmados por resultados de Raman, SEM, XRD, TEM e EDS. As interações de acoplamento entre CuFe 2 O 4 e MoS 2 levam à formação de heteroestruturas do tipo II, o que é verificado pelos resultados do DFT. Os dispositivos sensores de gás práticos foram fabricados com base no CuFe 2 O 4 / MoS 2 MHs e mostra a alta sensibilidade e excelente repetibilidade. Um aprimoramento de detecção também é visto com o gás etanol. O aprimoramento das propriedades de detecção de gás do CuFe 2 O 4 / MoS 2 MHs podem ser atribuídos ao efeito do alinhamento da banda tipo II e ao MoS 2 sites ativos. Acreditamos que nossos estudos serão valiosos para as várias aplicações de heteroestruturas de dimensões mistas.
Disponibilidade de dados e materiais
Todos os dados estão totalmente disponíveis sem restrição.
Abreviações
- 2D:
-
Bidimensional
- DFT:
-
Teoria da função de densidade
- EDS:
-
Espectrômetro de energia dispersiva de raios-X
- MHs:
-
Heteroestruturas multidimensionais
- SEM:
-
Microscópio eletrônico de varredura
- TEM:
-
Microscopia eletrônica de transmissão
Nanodetecção de câncer de cabeça e pescoço na superfície de detecção de óxido de titânio
Plataformas responsivas a pH e acústicas baseadas em nanopartículas de proteínas carregadas com perfluoropentano para imagens e terapia de ultrassom direcionadas a tumor de ovário
Nanomateriais
- mundo incorporado 2021:um sensor digital de gás de nariz com AI
- Resposta de osteoblasto a revestimentos microporosos dopados com cobre em titânio para integração óssea aprimorada
- MoS2 com Espessura Controlada para Evolução Eletrocatalítica de Hidrogênio
- Absorvedor perfeito de banda larga com monocamada MoS2 e matriz hexagonal de nitreto de titânio nanodisco
- Nanofibras de polímero por eletrofiação decoradas com nanopartículas de metal nobre para detecção química
- Fabricação fácil de composto de polianilina porosa multi-hierárquica como sensor de pressão e sensor de gás com sensibilidade ajustável
- Resposta fotovoltaica pronunciada do fototransistor MoTe2 multicamadas com formulário de contato assimétrico
- Mecanismo de condução e resistência aprimorada em RRAM baseado em HfO2 com tratamento de nitridação
- Desempenho de detecção de H2 altamente aprimorado de heterojunções MoS2 / SiO2 / Si de poucas camadas por decoração de superfície de nanopartículas de Pd
- 6 maneiras de aprimorar o Protocase Designer com a versão 4.6