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Highly Sensitive Ammonia Gas Sensors at Room Temperature Based on the Catalytic Mechanism of N, C Coordinated Ni Single-Atom Active Center

催化作用 钝化 吸附 材料科学 分子 无机化学 化学 物理化学 纳米技术 生物化学 有机化学 图层(电子)
作者
Wenjing Quan,Jia Shi,Min Zeng,Wen Lv,Xiyu Chen,Chao Fan,Yongwei Zhang,Zhou Liu,Xiaolu Huang,Jianhua Yang,Nantao Hu,Tao Wang,Zhiyuan Yang
出处
期刊:Nano-micro Letters [Springer Nature]
卷期号:16 (1): 277-277 被引量:25
标识
DOI:10.1007/s40820-024-01484-4
摘要

Abstract Significant challenges are posed by the limitations of gas sensing mechanisms for trace-level detection of ammonia (NH 3 ). In this study, we propose to exploit single-atom catalytic activation and targeted adsorption properties to achieve highly sensitive and selective NH 3 gas detection. Specifically, Ni single-atom active sites based on N, C coordination (Ni–N–C) were interfacially confined on the surface of two-dimensional (2D) MXene nanosheets (Ni–N–C/Ti 3 C 2 T x ), and a fully flexible gas sensor (MNPE–Ni–N–C/Ti 3 C 2 T x ) was integrated. The sensor demonstrates a remarkable response value to 5 ppm NH 3 (27.3%), excellent selectivity for NH 3 , and a low theoretical detection limit of 12.1 ppb. Simulation analysis by density functional calculation reveals that the Ni single-atom center with N, C coordination exhibits specific targeted adsorption properties for NH 3 . Additionally, its catalytic activation effect effectively reduces the Gibbs free energy of the sensing elemental reaction, while its electronic structure promotes the spill-over effect of reactive oxygen species at the gas–solid interface. The sensor has a dual-channel sensing mechanism of both chemical and electronic sensitization, which facilitates efficient electron transfer to the 2D MXene conductive network, resulting in the formation of the NH 3 gas molecule sensing signal. Furthermore, the passivation of MXene edge defects by a conjugated hydrogen bond network enhances the long-term stability of MXene-based electrodes under high humidity conditions. This work achieves highly sensitive room-temperature NH 3 gas detection based on the catalytic mechanism of Ni single-atom active center with N, C coordination, which provides a novel gas sensing mechanism for room-temperature trace gas detection research.
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