Quantum Confinement and End-Sealing Effects for Highly Sensitive and Stable Nitrogen Dioxide Detection: Homogeneous Integration of Ti3C2Tx-Based Flexible Gas Sensors

二氧化氮 同种类的 氮气 量子点 材料科学 化学 纳米技术 化学物理 物理 量子力学 热力学 有机化学
作者
Wenjing Quan,Jia Shi,Min Zeng,Bin Li,Zhou Liu,Wen Lv,Chao Fan,Jian Wu,Xue Liu,Jianhua Yang,Nantao Hu,Zhi Yang
出处
期刊:ACS Sensors [American Chemical Society]
卷期号:9 (9): 4578-4590 被引量:20
标识
DOI:10.1021/acssensors.4c00576
摘要

The real-time and room-temperature detection of nitrogen dioxide (NO2) holds significant importance for environmental monitoring. However, the performance of NO2 sensors has been hampered by the trade-off between the high sensitivity and stability of conventional sensitive materials. Here, we present a novel fully flexible paper-based gas sensing structure by combining a homogeneous screen-printed titanium carbide (Ti3C2Tx) MXene-based nonmetallic electrode with a MoS2 quantum dots/Ti3C2Tx (MoS2 QDs/Ti3C2Tx) gas-sensing film. These precisely designed gas sensors demonstrate an improved response value (16.3% at 5 ppm) and a low theoretical detection limit of 12.1 ppb toward NO2, which exhibit a remarkable 3.5-fold increase in sensitivity compared to conventional Au interdigital electrodes. The outstanding performance can be attributed to the integration of the quantum confinement effect of MoS2 QDs and the conductivity of Ti3C2Tx, establishing the main active adsorption sites and enhanced charge transport pathways. Furthermore, an end-sealing effect strategy was applied to decorate the defect sites with naturally oxygen-rich tannic acid and conductive polymer, and the formed hydrogen bonding network at the interface effectively mitigated the oxidative degradation of the Ti3C2Tx-based gas sensors. The exceptional stability has been achieved with only a 1.8% decrease in response over 4 weeks. This work highlights the innovative design of high-performance gas sensing materials and homogeneous gas sensor techniques.
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