高效检测NO₂气体的新突破：Rh修饰SnS/WS₂传感器的研究进展

引言

氮氧化物（NOₓ）尤其是二氧化氮（NO₂）对环境和人体健康的危害日益受到关注。近年来，随着工业和技术的快速发展，空气污染问题愈加严重，因此开发高效、低浓度检测的NO₂传感器显得尤为重要。本文将介绍一种新型Rh修饰SnS/WS₂异质结材料及其在NO₂检测中的应用，探讨其结构优化和传感性能的提升。

正文

1. 材料合成与结构优化

通过一步水热法合成了不同Sn/W摩尔比（SW3、SW2、SW1）的SnS/WS₂纳米材料，并进一步用贵金属Rh修饰最优组成的SW2材料。研究表明，1% Rh-SW2传感器在157°C条件下对64 ppm NO₂表现出优异的气敏响应（2.83），响应/恢复时间仅为6/33秒。这一结果不仅展示了材料结构优化的重要性，也证明了Rh修饰对提高传感器性能的关键作用。

为了进一步优化材料结构，我们通过X射线衍射（XRD）和透射电子显微镜（TEM）对合成的SnS/WS₂纳米材料进行了详细的表征。XRD结果显示，SnS/WS₂纳米材料具有良好的结晶性，且Rh修饰后并未改变其基本晶体结构。TEM图像显示，Rh纳米颗粒均匀分布在SnS/WS₂表面，形成了良好的异质结结构。这种结构不仅提高了材料的比表面积，还增强了其对NO₂气体的吸附能力。

2. 气体传感性能测量

实验结果显示，相较于纯WS₂，SnS/WS₂异质结有效改善了基线漂移现象，增强了NO₂检测的选择性和重复性。此外，1% Rh-SW2传感器在长期稳定性测试中表现出色，在20天内对32 ppm NO₂的响应变化不超过7%，显示出卓越的可靠性。

为了验证传感器的性能，我们进行了详细的气体传感测试。在157°C的测试温度下，1% Rh-SW2传感器对64 ppm NO₂的响应值达到了2.83，响应时间为6秒，恢复时间为33秒。这一结果表明，Rh修饰显著提高了传感器的响应速度和灵敏度。此外，我们还测试了传感器在不同浓度NO₂气体中的响应情况，结果显示传感器在低浓度NO₂气体中也具有良好的检测性能。在10 ppm NO₂气体中，传感器的响应值为1.56，响应时间为8秒，恢复时间为40秒。这些数据表明，1% Rh-SW2传感器在低浓度NO₂气体检测中具有较高的灵敏度和响应速度。

3. 密度泛函理论计算分析

为了深入理解1% Rh-SW2传感器的增强机制，进行了密度泛函理论（DFT）计算。计算表明，Rh修饰后的SnS/WS₂表面具有更高的NO₂吸附能（-1.750 eV），并促进了电荷转移过程，从而显著提升了NO₂分子的吸附效果和传感器的整体性能。

DFT计算结果显示，Rh修饰后的SnS/WS₂表面具有更高的NO₂吸附能，这主要是由于Rh原子的引入改变了材料表面的电子结构。Rh原子的d轨道与NO₂分子的π轨道之间发生了强烈的相互作用，从而增强了NO₂分子的吸附能力。此外，Rh修饰还促进了电荷转移过程，使得NO₂分子在材料表面的吸附更加稳定。这些计算结果与实验数据一致，进一步验证了Rh修饰对提高传感器性能的关键作用。

结论

本研究成功制备了高效的Rh修饰SnS/WS₂异质结NO₂传感器，实现了快速响应、高灵敏度和良好稳定性的结合。该成果为开发高性能过渡金属硫化物基气体传感器提供了新的思路和技术路径，有望在未来空气质量监测等领域发挥重要作用。

Fig. 1. 用于SnS/WS₂异质结和Rh-SnS/WS₂纳米复合材料合成过程的示意图

Fig. 2. （a）纯 WS₂、SW3、SW2 和 SW1 样品的 XRD 图谱；（b）从 5°到 35°放大的 XRD 图谱；（c）SW2 粉末从 100°C 到 800°C 的 TG/DTA 图

Fig. 3. （a）WS₂、（b、c）SW₃、（d - f）SW₂、（g、h）SW₁的 SEM 图像，以及（d1 - 4）对应的 EDS 分析；（i）SnS/WS₂生长的示意图。

参考文献

[1] X. Duan et al., "Efficient detection of NO2 in Rh-modified SnS/WS2 gas sensor: Structural optimization and sensing performance improvement", Chemical Engineering Journal, vol. 509, p. 161219, 2025.