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羅維拉維吉爾大學Juan Casanova-Chafer和瓦倫西亞理工大學Rocio Garcia-Aboal--石墨烯負載無鉛鈣鈦礦的氣敏機理

鹵化鉛鈣鈦礦因其優異的性能而備受關注，并已被廣泛應用。然而，鉛的高毒性促進了對替代納米材料的迫切和必要的研究。從這個角度來看，新興的無鉛鈣鈦礦是一種環保無害的選擇。本工作首次報道了基于石墨烯支撐的無鉛鈣鈦礦納米晶體的氣體傳感器，石墨烯由于其高效的載流子傳輸特性而充當轉換元件。由于納米晶體的量子限制效應和激子結合能，納米晶體的使用能夠實現對氣體化合物的優異敏感性，并且表現出比大塊鈣鈦礦薄膜更好的性能。具體而言，提出了一種工業上可擴展、簡單且廉價的合成方法，以支持石墨烯上的兩種不同鈣鈦礦（Cs₃CuBr₅和Cs₂AgBiBr₆），用于有效檢測低于閾值的多種有害污染物。利用無鉛鈣鈦礦首次檢測了H2和H₂S氣體，并在室溫下實現了NO₂的超靈敏檢測。此外，還詳細研究了納米晶體的帶隙類型、缺陷容限和電子表面陷阱，以了解觀察到的傳感性能的差異。最后，提出了一種綜合感知機制。

圖1.Cs₃Cu₂Br₅（a）和Cs₂AgBiBr₆（d）鈣鈦礦納米晶體的XRD圖譜。Cs₃Cu₂Br₅（b，c）和Cs₂AgBiBr₆（e，f）納米晶體在不同放大倍數下的HR-TEM圖像。

圖2.Cs₃Cu₂Br₅（a）和Cs₂AgBiBr₆（b）NC的紫外-可見吸收光譜和Tauc圖（插圖）。樣品制備包括將NCs懸浮在異丙醇中的10×10 mm熒光石英試管中。隨后，通過用氬氣流吹掃15分鐘來密封反應杯并脫氣。

圖3.室溫下檢測NO₂（a）、H₂（b）、NH₃（c）和H₂S（d）時的電響應示例。所有氣體均在ppm范圍內進行測試，但NO₂除外，其檢測濃度為ppb。藍線和紅線對應于石墨烯上負載的Cs₃Cu₂Br₅和Cs₂AgBiBr₆。

圖4.在干燥和潮濕（70%R.H.）環境下，石墨烯上負載的Cs₃Cu₂Br₅和Cs₂AgBiBr₆ NCs在室溫下對NO₂的傳感響應的比較（a）。通過在室溫下連續暴露NO₂（500 ppb）對Cs₃Cu₂Br₅ NC進行重復性試驗（b）。

圖5：雷達圖，總結了不同目標氣體的傳感響應，并比較了兩種無鉛鈣鈦礦的性能。

圖6.無鉛鈣鈦礦的擬議傳感機制。帶隙變窄和載流子通過能量景觀的輻射復合。當使用石墨烯上負載的無鉛鈣鈦礦納米晶體時，氧化（a）和還原（b）氣體的綜合檢測機制。STE：自陷激子。Gr：石墨烯。

相關研究成果由羅維拉維吉爾大學Juan Casanova-Chafer和瓦倫西亞理工大學Rocio Garcia-Aboal等人2022年發表在ACS Sensors (https://doi.org/10.1021/acssensors.2c01581)上。原文：Unraveling the Gas-Sensing Mechanisms of Lead-Free Perovskites Supported on Graphene。

轉自《石墨烯研究》公眾號



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