哈尔滨工业大学郝娟媛与辛铁柱博士课题组 | 光调控Bi2S3/ZnS异质结构实现室温高性能H2S气体传感

随着交通网络和各种工程项目的不断完善，在隧道等黑暗环境中施工的情况越来越多，硫化氢（H₂S）作为其中一种典型的有毒、有害气体，受其影响所发生的事故也不计其数。所以，实现对H₂S气体的监测是十分有必要的。二维层状材料恰是一种可以实现室温传感的潜力材料，其中Bi₂S₃由于具有较高的载流子迁移率、大的比表面积、材料合成成本低等优点而备受关注，然而，纯相Bi₂S₃在室温下对NO₂和H₂S均具有较高的灵敏度，如何提高其室温下对H₂S气体的选择性并获得较高的灵敏度是亟待解决的问题。

选择合适的材料构建异质结是提升气敏性能的常见手段。近日，哈尔滨工业大学郝娟媛课题组与辛铁柱博士课题组首先通过一次溶剂热法合成Bi₂S₃纳米线，并以此为前驱体通过二次溶剂热法合成四种不同比例的Bi₂S₃/ZnS异质结构，将ZnS纳米颗粒修饰在Bi₂S₃纳米线表面（图1）。

图1 Bi₂S₃/ZnS-3的a）SEM；b）TEM；c）HRTEM；d）EDX表征

此外，还对合成材料的光学及光电特性进行了研究（图2）。结果显示，Bi₂S₃/ZnS异质结构依然表现出在可见光范围内宽而强的吸收，并且由于材料间载流子的转移，相比于纯Bi₂S₃，在黑暗/光照两种条件下Bi₂S₃/ZnS异质结构电阻的变化跨度更大，这对在室温下光诱导提高气敏性能起着关键的作用。

图2 a）Bi₂S₃及Bi₂S₃/ZnS异质结构的紫外-可见漫反射光谱；b）周期性开关白光光源时Bi₂S₃及Bi₂S₃/ZnS异质结构的电阻变化

接下来，研究异质结构及光诱导两方面对H₂S传感的影响（图3）。结果发现，随着ZnS的量逐渐增加，材料的响应倍率也有所提升；但过量的ZnS纳米颗粒会覆盖在Bi₂S₃纳米线表面，从而影响气体与传感材料的接触，Bi₂S₃/ZnS-3具有最好的气敏性能。在黑暗条件下测试时，不论是何种比例的异质结构均表现出更优异的响应情况。进一步探究光强的影响时发现，随着光强越来越弱，Bi₂S₃/ZnS-3对H₂S的响应倍率逐渐升高，依旧在黑暗条件下表现出最高的响应倍率。此外，通过选择性测试发现，黑暗条件不仅可以提高对H₂S的气敏性能，还解决了材料选择性差的问题。

图3 a）室温下几种不同比例的Bi₂S₃/ZnS异质结构对H₂S气体的响应恢复曲线；b）在黑暗、光照两种不同条件下，几种不同比例的Bi₂S₃/ZnS异质结构对H₂S气体的响应情况；c）不同强度的白光照射下，Bi₂S₃/ZnS-3对H₂S气体的响应恢复曲线；d）黑暗、光照两种不同条件下Bi₂S₃/ZnS-3对不同气体选择性的测试

Bi₂S₃/ZnS在黑暗条件下对H₂S气体展现出如此优异的气敏性能可归因于异质结构和光调控的协同作用。首先，当两种材料相互接触时，载流子发生转移，从而实现电子空穴的有效分离，并在接触界面形成耗尽层和积累层，有利于气体的吸附与传感（图4）；其次，在黑暗条件下，材料表面所吸附氧的含量升高（图5），对于H₂S气体这种“氧吸附介导”的传感原理是有利的，因此在黑暗条件下Bi₂S₃/ZnS获得更高的响应倍率。综上，在异质结构和光调控的协同作用下，Bi₂S₃/ZnS展现出更加优越的室温传感H₂S气敏性能。

图4 接触前后Bi₂S₃/ZnS异质结构能带结构示意图

图5 Bi₂S₃/ZnS异质结构原位O 1s XPS光谱：a）黑暗条件下；b）光照条件下

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Bi₂S₃/ZnS heterostructures for H₂S sensing in the dark: the synergy of increased surface-adsorbed oxygen and charge transfer

Jiaying Liu, Tiezhu Xin, Zizhen Yang, Weixun Hao, You Wang and Juanyuan Hao

Inorg. Chem. Front., 2022, 9, 4921-4929

https://doi.org/10.1039/D2QI01378A

*文中图片皆来源上述文章

通讯作者简介

郝娟媛 副教授

哈尔滨工业大学 材料学院

哈尔滨工业大学材料学院，副教授。2011年毕业于吉林大学高分子化学与物理专业，获得理学博士学位，2016年至今在哈尔滨工业大学材料学院工作。主要研究无机二维半导体材料基复合材料的构筑及其在气体污染物原位、快速、高灵敏检测中的应用。在相关领域发表SCI收录论文40余篇，论文被他引570余次。

联系方式：jyhao@hit.edu.cn

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