Transition metal dichalcogenides (TMDs) such as molybdenum disulfide $(MoS_2)$ and tungsten disul-fide $(WS_2)$ have been actively studied in recent years due to wide range of potential applications. As a promising application, TMD gas sensors have been developed and intensively explored. More recently, it has been reported that edge sites of TMDs can contribute to highly enhanced gas adsorption proper-ties. Herein, we firstly demonstrate superior room temperature gas sensing properties of $WS_2$ edge func-tionalized carbon nanofibers (CNFs) with multiple tubular pores $(WS_2@MTCNFs)$. Copolymer-electrospinning route, which uses poly(styrene-acrylonitrile) as sacrificial templates and $WS_2$ precursor contained poly(acrylonitrile) as carbon matrix, offers highly gas permeable CNFs with single-layered $WS_2$ edge-rich surface. As a result, $WS_2@MTCNFs$ exhibits noticeable gas response (15% at 1 ppm of $NO_2$) at room temperature compared to the response of pristine CNFs (2% at 1 ppm of $NO_2$), which was attributed to the synergistic effects originated from high surface porosity with numerous elongated pore channels of MTCNFs and strong binding interactions between $WS_2$ edge sites and NO2.
본 연구는 튜브형태의 다중공 구조를 가진 탄소나노섬유의 표면에 균일하게 텅스텐 이화황물 나노조각을 기능화시키고, 표면에 집중된 텅스텐 이황화물의 가장자리를 통해 향상된 상온가스센서 특성을 보이는 나노구조물 합성에 관한 것이다. 먼저, 텅스텐 이황화물의 전구체와 폴리아크릴로니트릴(polyacrilonitrile, PAN)의 혼합용액을 제조한 후 스타일렌 아크릴로니크릴(styrene acrylonitrile, SAN)과 섞어주게 된다. PAN과 SAN 사이에 상분리가 발생하게 되면서, 각 각의 고분자로 구성된 미세영역으로 나뉘게 된다. 이때, 전기방사를 진행하게 되면 각 각의 미세영역이 연신된 형태의 1차원 형상의 복합 나노섬유를 얻을 수 있다. 이후 환원 열처리를 통해, PAN은 탄소나노섬유 지지체로 변형되고, SAN은 열분해를 거쳐 중공들을 형성시키게 된다. 또한, PAN의 내부에 존재하는 텅스텐 이황화물의 전구체는 텅스텐 이황화물 나노조각으로 탄소모체내부에서 성장하게 된다. 때문에, 텅스텐 이황화물 나노조각은 적층 형태로 성장하지 못하며, 단층으로 생성되게 된다. 결과적으로, 튜브형태의 다중공 구조를 가진 탄소나노섬유 내부에 단층의 텅스텐 이황화물이 다량 생성된다. 단층의 텅스텐 이황화물은 탄소나노섬유의 표면부에 가장자리가 집중되게 되며, 이러한 가장자리의 효과로 인하여 상온에서 이산화질소 가스에 대해서 높은 선택성과 감도 $(R_{air}-R_{gas}/R_{air}=15% to 1 ppm)$ 특성을 보이게 된다. 텅스텐 이황화물의 가장자리에 의한 기능화는 이산화질소에 대한 감도와 선택성의 향상을 가져올 수 있으며, 이산화질소를 감지하는 상온가스센서에 효과적으로 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
