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Humidity-Tolerant Room-Temperature Selective Dual Sensing and Discrimination of NH3 and NO Using a WS2/MWCNT Composite

相对湿度 材料科学 碳纳米管 吸附 复合数 二硫化钨 纳米复合材料 氧化物 湿度 选择性 化学工程 分子 分析化学(期刊) 复合材料 纳米技术 环境化学 有机化学 化学 气象学 工程类 物理 催化作用 冶金
作者
Sukhwinder Singh,Imtej Singh Saggu,Kaiwen Chen,Zhengxi Xuan,Mark T. Swihart,Sandeep Sharma
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (35): 40382-40395 被引量:22
标识
DOI:10.1021/acsami.2c09069
摘要

Continuous detection of toxic and hazardous gases like nitric oxide (NO) and ammonia (NH3) is needed for environmental management and noninvasive diagnosis of various diseases. However, to the best of our knowledge, dual detection of these two gases has not been previously reported. To address the challenge, we demonstrate the design and fabrication of low-cost NH3 and NO dual gas sensors using tungsten disulfide/multiwall carbon nanotube (WS2/MWCNT) nanocomposites as sensing channels which maintained their performance in a humid environment. The composite-based device has shown successful dual detection at temperatures down to 18 °C and relative humidity of 90%. For 0.1 ppm ammonia, it exhibited a p-type conduction with response and recovery times of 102 and 261 s, respectively; on the other hand, with NO (10 ppb, n-type), these times were 285 and 198 s, respectively. The device with 5 mg MWCNTs possesses a superior selectivity along with a relative response of ≈7% (5 ppb) and ≈5% (0.1 ppm) for NO and NH3, respectively, at 18 °C. The response is less affected by relative humidity, and this is attributed to the presence of MWCNTs that are hydrophobic in nature. Upon simultaneous exposure to NO (5-10 ppb) and NH3 (0.1-5 ppm), the response was dominated by NO, implying clear discrimination to the simultaneous presence of these two gases. We propose a sensing mechanism based on adsorption/desportion and accompanied charge transfer between the adsorbed gas molecules and sensing surface. The results suggest that an optimized weight ratio of WS2 and MWCNTs could govern favorable sensing conditions for a particular gas molecule.
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