Двумерные наноматериалы с поверхностной инженерией в газовых сенсорах: достижения и вызовы
2025-08-01
В последние десятилетия газовые сенсоры на основе двумерных наноматериалов, таких как дихалькогениды переходных металлов (TMD), MXene, нитриды и чёрный фосфор (BP), привлекли широкое внимание. Выдающиеся физико-химические и электрические свойства двумерных наноматериалов обеспечивают их высокую чувствительность к молекулам газа при комнатной температуре. Однако, несмотря на огромный потенциал, существующие технологии газового сенсинга всё ещё сталкиваются с рядом проблем, включая недостаточную селективность, низкую точность обнаружения и нестабильность в условиях окружающей среды.
Согласно сообщению компании MEMS Consulting, недавно исследователи из Брненского технологического университета (Brno University of Technology) опубликовали в журнале Small обзорную статью под названием «Surface-Engineered 2D Nanomaterials in Gas Sensors: Advancement and Challenges», в которой обобщены последние достижения в применении стратегий поверхностной инженерии для улучшения сенсорных характеристик газовых сенсоров на основе двумерных наноматериалов.
В работе сначала представлены новые виды двумерных наноматериалов, их методы синтеза и механизмы газового сенсинга; далее подробно рассматриваются распространённые стратегии поверхностной инженерии, такие как модификация дефектов, функционализация наночастицами и гетероатомное легирование, направленные на повышение чувствительности к газам. Также обсуждаются интеркаляция металлов и методы частичного поверхностного окисления/восстановления для регулирования сенсорных свойств. Особое внимание уделено инженерии одноатомных катализаторов, которая акцентирует закрепление атомов металлов на поверхности двумерных наноматериалов для повышения атомной эффективности и, как следствие, каталитической сенсорной активности. Эти инженерные подходы обеспечивают эффективную поверхностную сенсибилизацию и регулирование концентрации носителей заряда в двумерных материалах.
Обзор подчёркивает ключевые цели стратегий поверхностной инженерии, направленные на преодоление ограничений композитных материалов и создание газовых сенсоров нового поколения с улучшенными характеристиками, что открывает перспективы для их широкого применения.
Обзор двумерных материалов и стратегий их поверхностной инженерии, включая методы синтеза и механизмы сенсинга
Синтез большинства двумерных материалов можно разделить на методы «сверху вниз» и «снизу вверх». В методе «сверху вниз» двумерные материалы получают путём расщепления массивных слоистых твёрдых тел, тогда как метод «снизу вверх» основан на формировании материала из атомных или молекулярных прекурсоров. Однослойные двумерные материалы считаются наиболее подходящими для применения в газовом сенсинге, так как все их поверхностные атомы могут участвовать в адсорбции газовых молекул, а удельная площадь поверхности на единицу объёма является максимальной.
Использование двумерных материалов в газовом сенсинге обеспечивается их выдающимися электрическими, механическими и химическими свойствами. Следует отметить, что характеристики двумерных материалов зависят от параметров технологического процесса синтеза, атомарной толщины и применяемых стратегий модификации. Благоприятные свойства таких двумерных материалов (например, TMD, карбидов и нитридов) включают атомарную толщину, высокое отношение площади поверхности к объёму, прямой перенос заряда, хорошую совместимость с технологиями ультратонких кремниевых каналов, регулируемую ширину запрещённой зоны и высокую подвижность носителей заряда. Эти характеристики способствуют достижению выдающихся параметров газового сенсинга.
Примеры двумерных наноматериалов для газового сенсинга
На сегодняшний день учёные предложили различные основные механизмы газового сенсинга на основе двумерных наноматериалов. Перенос заряда является ключевой концепцией механизма в двумерных тонких материалах, при котором перенос заряда происходит в процессе взаимодействия газовых молекул с активными центрами на поверхности сенсорного канала. Направление и величина переноса заряда напрямую зависят от типа и химической структуры газа, что приводит к различным уровням газочувствительности. Другим важным аспектом механизма сенсинга двумерных материалов является модуляция барьера Шоттки, при которой взаимодействие газового аналита с двумерным сенсорным каналом вызывает изменение встроенного потенциала и барьера Шоттки.
Механизмы газового сенсинга двумерных наноматериалов через перенос заряда на поверхности и модуляцию барьера Шоттки
Двумерные материалы, такие как TMD, MXene, чёрный фосфор (BP) и двумерные нитриды, привлекают внимание благодаря своей способности вступать в различные физико-химические реакции при разных условиях окружающей среды, что обеспечивает их выдающиеся газочувствительные свойства. Их двумерная структура делает их идеальными кандидатами для газового сенсинга при комнатной температуре, демонстрируя отличные сенсорные характеристики по отношению к аммиаку (NH3), двуокиси азота (NO2), оксиду углерода (CO) и другим газам.
Однако изначальные характеристики этих материалов имеют ограничения, и для преодоления этих недостатков требуется соответствующая модификация их стандартных свойств. Поэтому исследователи, с одной стороны, стремятся сохранить присущие двумерным материалам свойства, а с другой — модифицируют их поверхностные характеристики, так как именно поверхность играет ключевую роль в газовых реакциях.
В этом контексте широко изучается электрохимическая модификация слоистых материалов с использованием стратегий поверхностной инженерии. Поверхностная инженерия двумерных материалов позволяет регулировать их поверхностные и химические свойства, способствуя достижению сенсорами более высокой селективности к газам, чувствительности, ускоренной скорости отклика и восстановления, а также повышенной стабильности в окружающей среде и долговременной стабильности.
Инженерия дефектов и легирование в газовых сенсорах на основе TMD
Примеры стратегий поверхностной инженерии в газовых сенсорах на основе MXene
Примеры стратегий поверхностной инженерии в газовых сенсорах на основе двумерных нитридов
Стратегии поверхностной инженерии в газовых сенсорах на основе двумерного чёрного фосфора
