基于水热合成二碲化钼(MoTe2)的高灵敏度快速响应室温液化石油气传感器研究

本综述系统阐述了通过水热法合成的二碲化钼(MoTe2)纳米材料在室温液化石油气(LPG)检测中的卓越性能。研究采用PXRD、拉曼光谱、FTIR、FE-SEM和EDS等多种表征手段证实材料具有纯相六方结构（平均晶粒尺寸37nm）和独特褶皱片层形貌。所制备的传感器在0.5-2.0vol%浓度范围内展现出超高响应值（最高137）、超快响应/恢复时间（8s/22s）以及优异选择性，其性能优势源于Te-O键长(3.93?)促进的快速吸附-脱附循环，为开发新一代室温气体传感器提供了重要参考。

　　

引言：可燃气体泄漏始终是公共安全重大隐患。液化石油气(LPG)作为主要成分为丙烷(C₃H₈)和丁烷(C₄H₁₀)的易燃气体，其爆炸下限(LEL)仅2vol%，亟需开发高性能室温传感器。传统金属氧化物半导体(SMOs)存在工作温度高、选择性差等缺陷，而二维材料MoTe₂因其1.5eV直接带隙、高载流子密度和Te-O键长优势，成为理想候选材料。

实验方法：研究采用水热法在200°C反应48小时合成MoTe₂，以Na₂MoO₄·2H₂O和Te粉为原料，通过旋涂法制备薄膜传感器。表征手段包括：PXRD确认2H相纯度（JCPDS 01-073-1650）；拉曼光谱检测到特征峰E¹_2g(224cm^-1)、A_1g(175cm^-1)；FTIR显示602cm^-1处Mo-Te振动峰；FE-SEM观察到200-800nm褶皱纳米片结构。

材料表征：PXRD显示样品为纯相六方结构，结晶度达95%，平均晶粒尺寸37.14nm（Scherrer公式计算）。EDS证实Mo、Te元素均匀分布，存在Te富集现象。拉曼光谱中E¹_2g模式表明层状结构形成，而较弱的A_1g峰提示少数层特征。FTIR检测到1435cm^-1处Te-O振动，证实表面氧化。

传感性能：传感器在0.5-2.0vol% LPG范围内表现优异：响应值从26(0.5vol%)线性增至137(2.0vol%)，灵敏度达77响应值/vol%。动力学测试显示8s响应时间和22s恢复时间（0.5vol%），归因于Te-O键长(3.93?)促进的快速氧吸附。选择性测试中，对LPG响应(26)显著高于甲醇(12)、乙醇(10)等干扰气体，选择性系数最高达8.6(CO₂)。湿度实验表明30-45%RH时性能最佳。

作用机制：p型MoTe₂传感机制涉及三个关键过程：1)氧分子吸附形成O₂^-活性位点；2)LPG与吸附氧反应释放电子(C_nH_2n+2+O₂^-→CO₂+H₂O)；3)电子-空穴复合导致电阻升高。Te原子作为优选吸附位点，其较长键长(3.93? vs Mo-O 2.71?)促进气体分子快速脱附。

结论：该研究成功开发出基于MoTe₂的室温LPG传感器，具有响应快(<10s)、灵敏度高(137@2.0vol%)、选择性好等优势。材料表征证实水热法可制备高结晶度六方相MoTe₂纳米片，其独特表面化学性质为气体传感提供了理想活性位点。这项研究为开发新一代低功耗气体传感器奠定了基础，在智能家居安全和工业泄漏监测领域具有重要应用前景。