Synthesis and Gas Sensing Properties of Transition Metal Dichalcogenides materials (TMDs)

Abstract

En el procés de monitorització industrial, el control d'emissions dels cotxes, la seguretat de la qualitat de l'aire interior i exterior i la protecció del medi ambient, la detecció contínua i fiable de diversos gasos és fonamental. Els òxids metàl·lics semiconductors, els materials més utilitzats en aplicacions de detecció de gasos, tenen limitacions substancials com ara un alt consum d'energia, una mala estabilitat a llarg termini, una selectivitat limitada i, sobretot, una alta sensibilitat creuada a la humitat. Els materials nous que permeten un funcionament a baixa temperatura poden resoldre problemes relacionats amb l'energia, donant lloc a xarxes de sensors millors i més fiables. Com a resultat, materials 2D com els dicalcogenurs de metalls de transició (TMD) han sorgit com a opcions viables per a la detecció de gasos. Aquests materials de nova generació tenen el potencial de millorar les propietats de detecció dels materials sensibles als gasos, com ara la sensibilitat, la selectivitat, l'estabilitat i la velocitat (temps de resposta-recuperació). Això es deu a les seves propietats úniques inherents, que inclouen el gruix a nanoescala, una gran superfície específica, abundants llocs de vora actiu i una alta sensibilitat a les molècules de gas a temperatures més baixes i fins i tot a temperatura ambient.

La tesi actual intenta augmentar la fabricació d'aquests materials en capes 2D de nova generació i utilitzar-los per a aplicacions de detecció de gasos en aquest camp d'estudi. A més, els materials de detecció de gasos investigats en aquesta tesi tenen el potencial d'abordar l'esmentat anteriorment en la seva forma prístina o després d'alguna funcionalització. En aquest sentit, aquesta tesi proposa sensors de gas quimioresistius basats en diversos materials TMD.

En el proceso de monitoreo industrial, el control de emisiones de automóviles, la seguridad de la calidad del aire interior y exterior y la protección del medio ambiente, la detección continua y confiable de varios gases es fundamental. Los óxidos de metales semiconductores, los materiales más utilizados en aplicaciones de detección de gases, tienen limitaciones sustanciales, como un alto consumo de energía, poca estabilidad a largo plazo, selectividad limitada y, sobre todo, alta sensibilidad cruzada a la humedad. Los nuevos materiales que permiten el funcionamiento a baja temperatura podrían resolver los problemas relacionados con la energía, lo que daría como resultado redes de sensores mejores y más fiables. Como resultado, los materiales 2D como los dicalcogenuros de metales de transición (TMD) han surgido como opciones viables para la detección de gases. Estos materiales de próxima generación tienen el potencial de mejorar las propiedades de detección de los materiales sensibles al gas, como la sensibilidad, la selectividad, la estabilidad y la velocidad (tiempo de respuesta-recuperación). Esto se debe a sus propiedades únicas inherentes, que incluyen espesor a nanoescala, gran área de superficie específica, abundantes sitios de borde activos y alta sensibilidad a las moléculas de gas a temperaturas más bajas e incluso a temperatura ambiente.

La tesis actual intenta ampliar la fabricación de estos materiales en capas 2D de próxima generación y utilizarlos para aplicaciones de detección de gases en este campo de estudio. Además, los materiales de detección de gases investigados en esta tesis tienen el potencial de abordar lo mencionado anteriormente, ya sea en su forma original o después de alguna funcionalización. En este sentido, esta tesis propone sensores de gas quimiorresistivos basados en varios materiales TMDs.

In the industrial monitoring process, car emission control, indoor and outdoor air quality safety, and environmental protection, continuous and reliable detection of various gases is critical. Semiconducting metal oxides, the most extensively used materials in gas sensing applications, have substantial limitations such as high power consumption, poor long-term stability, limited selectivity, and, most notably, high humidity cross-sensitivity. Novel materials that allow for low-temperature operation might solve power-related issues, resulting in better and more reliable sensor networks. As a result, 2D materials like transition-metal dichalcogenides (TMDs) have emerged as viable options for gas sensing. These next-generation materials have the potential to improve gas-sensitive materials' sensing properties such as sensitivity, selectivity, stability, and speed (response-recovery time).This is owing to their inherent unique properties, which include nanoscale thickness, large specific surface area, abundant active edge sites, and high sensitivity to gas molecules at lower temperatures and even at room temperature.

The current thesis attempts to scale up the fabrication of these next-generation 2D layered materials and utilise them for gas sensing applications in this field of study. Furthermore, the gas sensing materials investigated in this thesis have the potential to address the aforementioned either in their pristine form or after some functionalization. In this regard, this thesis proposes chemoresistive gas sensors based on several TMDs materials.