A 2D-0D-2D Sandwich Heterostructure toward High-Performance Room-Temperature Gas Sensing

异质结 材料科学 范德瓦尔斯力 贵金属 离子键合 纳米颗粒 分子 离解(化学) 纳米技术 吸附 化学物理 光电子学 金属 化学 物理化学 离子 有机化学 冶金
作者
Zhiping Liang,Mingyuan Wang,Xiangzhao Zhang,Zhong Li,Kaixiang Du,Jian Yang,Shuangying Lei,Guanjun Qiao,Jian Zhen Ou,Guiwu Liu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (4): 3669-3680 被引量:59
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c11475
摘要

The construction of two-dimensional (2D) van der Waals (vdW) heterostructures over black phosphorus (BP) has been attracting significant attention to better utilize its inherent properties. The sandwich of zero-dimensional (0D) noble metals within BP-based vdW heterostructures can provide efficient catalytic channels, modulating their surface redox potentials and therefore inducing versatile functionalities. Herein, we realize a 2D WS2-Au-BP heterostructure, in which Au nanoparticles are connected between BP and WS2 via ionic bonds. The ultralow conduction band minimum position, the reduced adsorption energies of O2, and the increased dissociation barrier energy of O2- into 2O contribute greatly to improving the long-term stability of BP in the air. The formation of heterostructures can reduce the potential barrier energy in target gas molecules, thus enhancing the absorption energy and charge transfer. Taking the paramagnetic NO2 gas molecules as a representative, a stable response magnitude of 2.11 to 100 ppb NO2 is achieved for 80 days, which is far larger than the initial responses of most BP-based materials. A practical gas sensing system is also developed to demonstrate its real-world implementation. This work provides a promising demonstration of 0D noble metal within 2D BP-based vdW heterostructure for simultaneously improving the long-term stability and room-temperature reversible gas sensing.
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