离子层间掺杂型SnS2的气敏特性及敏感机理研究

NO2 is one of the main atmospheric pollutants and even a small amount (ppb level) will seriously threaten human health, thus the investigation of high performance NO2 gas sensor working at room temperature is very important. SnS2, one kind of two-dimensional (2D) layered materials, shows good selectivity and fast response/recovery kinetics towards NO2 sensing. However, the low intrinsic conductivity of SnS2 increases the difficulty of electrical signal acquisition in practical applications. In the present project, we propose to tune the electronic properties of SnS2 by intercalating metal ions into the interlayer of SnS2. The sensing sensitivity at room temperature will be increased by enhancing both the conductivity and adsorption energy between SnS2 and NO2. The investigations will be focused on understanding the effects of radius of doping ions and doping concentration on the electronic structure and sensing performances, and establishing the relationship among intercalating metal ions and defects, electro properties and sensing performance. Further, the bonding and chemical state of the doping SnS2 will be analyzed in situ by the NAP-XPS technique. Combined with the results from density function theory calculation, the transition state and activation center position will be identified in native and doped SnS2 materials. These studies will provide a theoretical guideline for the development of room-temperature sensing materials with high sensitivity and high selectivity.

NO2是最主要的大气污染物之一，极低浓度（ppb级）就会对人体产生较大危害，因此室温下高灵敏检测NO2气体传感器的研究具有重要的实际意义。二维层状材料SnS2对NO2响应具有选择性好、响应和恢复速度快等优点，但其电学性能较差，增大了实际应用时电学信号采集的难度。本项目提出金属离子层间掺杂的解决方案，围绕多级SnS2电子结构的调控，同时提高SnS2的电学性能及NO2吸附能力，进而实现室温下高灵敏度NO2响应。深入研究掺杂离子半径、浓度等条件对SnS2电子结构及其对传感性能的影响规律，建立掺杂离子和缺陷结构、材料电学性质、传感性能间的构效关系。利用近常压XPS分析技术，原位测试吸附脱附NO2过程中金属掺杂SnS2表面的成键、化学状态的变化，并结合密度泛函理论计算的电子结构、气体吸附过渡态等数据，明确金属离子与缺陷提高传感性能的物理机制，为室温下高灵敏和高选择气敏材料的合成提供理论指导。

本项目以提高SnS2室温NO2传感性能为研究目标，研究了金属、非金属元素掺杂和异质结构建对SnS2表面NO2吸附能力和界面电荷转移效率的影响规律，建立了基于SnS2敏感材料的改性方法。取得的主要成果：（1）通过微波法合成了Al掺杂多级SnS2。Al取代Sn的同时将溶剂乙二醇（EG）分子引入到SnS2层间，使SnS2层间距宽化的同时引入大量S空位，显著提高了SnS2的导电性和吸附NO2的能力，使其在室温下对1ppm NO2 具有173%的灵敏度。原位NAP-XPS表明Al掺杂SnS2吸附NO2分子时具有更强的电子转移能力，为深入研究缺陷、掺杂及材料结构对气敏性能的影响提供了新思路。（2）通过溶剂热法制备了C掺杂SnS2。C部分取代SnS2中S原子，在最外层电子层中产生sp2杂化位点从而改善SnS2的电学性能，同时产生高活性缺陷，并提高SnS2的费米能级，大幅度提高了NO2的吸附和电荷转移能力，实现了ppb级NO2的高灵敏度室温检测。该工作为研究元素掺杂与缺陷协同作用对SnS2性能提升的影响规律提供了理论与实验指导。（3）实现了SnS2基异质结构的可控制备与气敏性能调控。通过一步水热法、原位氧化法等方式构建了SnS2/g-C3N4，SnS2/SnS, SnS2/TiO2, SnS2/Bi2S3等异质结构。以上异质结构由于具有高质量紧密接触界面及调制的电学特性，展现出优异的室温NO2 传感特性。此外，还研究了SnSe2及其异质结构SnSe2/SnO2对H2S的传感规律。该系列工作为构筑新型室温传感材料提供了实验基础与设计思路。在项目的支持下，共发表SCI论文13篇，授权发明专利1项，培养本科生2名，硕士生4名，博士生2名。