用空间限制法合成的MoS2围绕的SWNTs

一组研究人员最近在《碳》上发表了一篇论文，展示了使用空间限制法来合成MoS₂围绕的SWNTs（单壁碳纳米管）同轴电缆，该电缆可有效地用于开发新型一维（1D）范德瓦尔斯（vdW）异质结。

一维纳米结构，如CNT和半导体纳米线，被认为适合于制造和设计不同功能的vdW和核壳异质结，在催化剂、导体、电池和纳米电子学的各种应用中具有巨大潜力。

在一维纳米结构中，CNT可以被组装成宏观构型，如海绵和薄膜，然后与其他材料合并以制备同轴结构。例如，聚合物或金属被包裹或沉积在CNT纤维上，以提高纤维的导电性和强度，并制造出可穿戴和高灵敏度应变传感器等功能器件。

按照类似的方法，多孔CNT海绵可以通过原位水热法涂上各种过渡金属二硫化物，如硫化锡（SnS₂）和二硫化钼（MoS₂），以合成一系列的同轴异质结构，可用于锂离子电池电极和应变传感器。

SWCNTs代表了构建一维异质结的理想模板，因为其直径小于2纳米，具有特殊的电气和机械性能，如可调控的导电行为、出色的灵活性、超高的模量和强度。然而，由于SWCNTs的大曲率和小直径，在SWCNTs上均匀地包裹二维（2D）纳米片或结晶层仍然是非常具有挑战性的。

目前，由于这些挑战，其他材料通常被连接到SWCNTs上，而不是形成一个同轴结构。然而，最近成功地制造了一些基于SWCNT的1D vdW异质结。例如，SWCNT@氮化硼纳米管（boron nitride nanotube, BNNT）@MoS₂的同轴纳米管是通过使用化学气相沉积（chemical vapor deposition, CVD）方法直接将BNNT和MoS₂依次生长而制备的。然而，通过该方法获得的SWCNT@BNNT@MoS₂的产率非常低。因此，必须开发出可扩展的、可靠的合成方法，以便以更大的通用性和大量的方式制造出一维异质结构。

在这项研究中，研究人员通过水热法合成MoS₂围绕的SWNTs - SWCNT@MoS₂薄膜。SWCNT束是通过空间限制法合成的。水热沉积法代表了一种可扩展的简单方法，可以合成大量高度结晶的MoS₂涂层SWCNT束。可调控的MoS₂片可用于涂覆SWCNT束。乙醇、盐酸、钼酸铵、硫酸、硫脲、二茂铁、1,2-二氯苯、升华硫和二甲苯被用作初始材料。

最初，浮动催化剂CVD方法被用来在1200摄氏度下合成SWCNT膜。在SWCNT合成过程中，使用了硫磺/二茂铁作为催化剂，并利用二甲苯作为前驱体。常压CVD方法被用来在860摄氏度下合成多壁CNT（MWCNT）海绵。二茂铁和1, 2-二氯苯分别作为催化剂和碳前体。

通过切割MWCNT海绵，然后用SWCNT纤维束缚它们以防止分散，制造了两个MWCNT多孔块。随后，将SWCNT薄膜夹在MWCNT多孔块之间，并将夹着的SWCNT薄膜在100毫克/毫升的钼酸铵溶液中浸泡30分钟。将夹层薄膜冷冻干燥，并再次浸入200摄氏度的熔融硫脲浴中30分钟。

最后，将样品放入特氟隆线高压锅中，在120摄氏度的温度下放置12小时，以获得包裹的非晶态MoS2层。在氩气流的保护下，最终的夹层样品在800摄氏度下退火4小时，以便在收集SWCNT@MoS₂薄膜前提高MoS₂的结晶度。通过改变钼前体的浓度来控制SWCNT@MoS₂薄膜中的MoS₂负载。

通过多孔MWCNT海绵支撑的空间封闭法和水热法，分别成功合成了SWCNT束和柔性、超薄、大面积的SWCNT@MoS₂薄膜。结晶的多壁MoS₂片在SWCNT束周围连续均匀地形成。可调控的MoS₂层围绕着SWCNT束，尺寸从几纳米到几百纳米不等。

与原始的SWCNT薄膜相比，SWCNT@MoS₂样品显示出明显增强的气体灵敏度和光响应，这是因为薄膜中MoS₂和SWCNT的电学和光学特性的结合，使它们适合并有效地作为柔性光电探测器和有毒气体传感器。一维异质结的形成和均匀的MoS₂涂层共同导致了气体吸收或光照引起的电流变化。

这项研究结果表明，用于合成MoS₂围绕的SWNTs的空间限制法也利用更多的过渡金属二氯化物和其他材料有效地合成不同的一维异质结纳米管结构，并组装灵活的大面积光电和电子器件。

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