用空間限制法合成的MoS2圍繞的SWNTs

一組研究人員最近在《碳》上發表了一篇論文，展示了使用空間限制法來合成MoS₂圍繞的SWNTs（單壁碳納米管）同軸電纜，該電纜可有效地用於開發新型一維（1D）範德瓦爾斯（vdW）異質結。

一維納米結構，如CNT和半導體納米線，被認為適合於製造和設計不同功能的vdW和核殼異質結，在催化劑、導體、電池和納米電子學的各種應用中具有巨大潛力。

在一維納米結構中，CNT可以被組裝成宏觀構型，如海綿和薄膜，然後與其他材料合併以製備同軸結構。例如，聚合物或金屬被包裹或沉積在CNT纖維上，以提高纖維的導電性和強度，並製造出可穿戴和高靈敏度應變感測器等功能器件。

按照類似的方法，多孔CNT海綿可以通過原位水熱法塗上各種過渡金屬二硫化物，如硫化錫（SnS₂）和二硫化鉬（MoS₂），以合成一系列的同軸異質結構，可用於鋰離子電池電極和應變感測器。

SWCNTs代表了構建一維異質結的理想範本，因為其直徑小於2納米，具有特殊的電氣和機械性能，如可調控的導電行為、出色的靈活性、超高的模量和強度。然而，由於SWCNTs的大曲率和小直徑，在SWCNTs上均勻地包裹二維（2D）納米片或結晶層仍然是非常具有挑戰性的。

目前，由於這些挑戰，其他材料通常被連接到SWCNTs上，而不是形成一個同軸結構。然而，最近成功地製造了一些基於SWCNT的1D vdW異質結。例如，SWCNT@氮化硼納米管（boron nitride nanotube, BNNT）@MoS₂的同軸納米管是通過使用化學氣相沉積（chemical vapor deposition, CVD）方法直接將BNNT和MoS₂依次生長而製備的。然而，通過該方法獲得的SWCNT@BNNT@MoS₂的產率非常低。因此，必須開發出可擴展的、可靠的合成方法，以便以更大的通用性和大量的方式製造出一維異質結構。

在這項研究中，研究人員通過水熱法合成MoS₂圍繞的SWNTs - SWCNT@MoS₂薄膜。SWCNT束是通過空間限制法合成的。水熱沉積法代表了一種可擴展的簡單方法，可以合成大量高度結晶的MoS₂塗層SWCNT束。可調控的MoS₂片可用于塗覆SWCNT束。乙醇、鹽酸、鉬酸銨、硫酸、硫脲、二茂鐵、1,2-二氯苯、昇華硫和二甲苯被用作初始材料。

最初，浮動催化劑CVD方法被用來在1200攝氏度下合成SWCNT膜。在SWCNT合成過程中，使用了硫磺/二茂鐵作為催化劑，並利用二甲苯作為前驅體。常壓CVD方法被用來在860攝氏度下合成多壁CNT（MWCNT）海綿。二茂鐵和1, 2-二氯苯分別作為催化劑和碳前體。

通過切割MWCNT海綿，然後用SWCNT纖維束縛它們以防止分散，製造了兩個MWCNT多孔塊。隨後，將SWCNT薄膜夾在MWCNT多孔塊之間，並將夾著的SWCNT薄膜在100毫克/毫升的鉬酸銨溶液中浸泡30分鐘。將夾層薄膜冷凍乾燥，並再次浸入200攝氏度的熔融硫脲浴中30分鐘。

最後，將樣品放入特氟隆線高壓鍋中，在120攝氏度的溫度下放置12小時，以獲得包裹的非晶態MoS2層。在氬氣流的保護下，最終的夾層樣品在800攝氏度下退火4小時，以便在收集SWCNT@MoS₂薄膜前提高MoS₂的結晶度。通過改變鉬前體的濃度來控制SWCNT@MoS₂薄膜中的MoS₂負載。

通過多孔MWCNT海綿支撐的空間封閉法和水熱法，分別成功合成了SWCNT束和柔性、超薄、大面積的SWCNT@MoS₂薄膜。結晶的多壁MoS₂片在SWCNT束周圍連續均勻地形成。可調控的MoS₂層圍繞著SWCNT束，尺寸從幾納米到幾百納米不等。

與原始的SWCNT薄膜相比，SWCNT@MoS₂樣品顯示出明顯增強的氣體靈敏度和光回應，這是因為薄膜中MoS₂和SWCNT的電學和光學特性的結合，使它們適合並有效地作為柔性光電探測器和有毒氣體感測器。一維異質結的形成和均勻的MoS₂塗層共同導致了氣體吸收或光照引起的電流變化。

這項研究結果表明，用於合成MoS₂圍繞的SWNTs的空間限制法也利用更多的過渡金屬二氯化物和其他材料有效地合成不同的一維異質結納米管結構，並組裝靈活的大面積光電和電子器件。

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