The chemical gas sensors that can monitor ppm-level of environmentally hazard gas species and/or bi-omarker molecules which are related to specific diseases are receiving great attention. Among various types of gas sensors, semiconducting metal oxides (SMOs)-based gas sensors attract much attention because of their simple operation principals, high response, stability, and facile miniaturization properties. However, it still remains a grand challenge to detect sub-ppm level of target analytes with excellent selectivity. To address the issues, various strategies have been introduced to enhance the sensing characteristics via nanostructuring, phase-engineering, decoration with catalyst, and passivation with molecular sieve membranes. In this Ph.D. thesis, I have introduced strategies for the synthesis of highly selective/sensitive chemiresistive sensors by introducing (i) nanofiber yarn as a new sensing platform, (ii) molecular sieve layer, (iii) light-induced photo-thermal effects on oxides for simultaneous phase-engineering and direct stabilization of alloy catalysts, (iv) light-induced stabilization of single-atom catalyst (SAC) on graphene, and (v) functionalization of ex-solution hybrid catalysts on oxides. The single-strand yarn exhibits enhanced sensitivity supported by its high surface area and well-developed porosity for facile gas diffusion and reaction. Further surface coating of the sensing material with a molecular sieve layer can modify the underlying active materials with enhanced sta-bility, sensitivity, and selectivity. Meanwhile, irradiation of oxides supports with intense pulsed light (IPL) fa-cilitates thermochemical tuning of crystal structures in bulk oxide lattice and the simultaneous ultrafast syn-thesis of multi-elemental nanoparticles (NPs) on the phase-engineered oxides. In addition, SAC can be effec-tively stabilized on graphene by using IPL process. Meanwhile, oxide layers loaded with ex-solution NPs-perovskite hybrids induced excellent long-term stability based on effective socketing of ex-solved NPs on perovskite supports. By combining nanostructured nanomaterials with effective surface activity tuning strat-egies, we successfully achieved exceptional gas sensing capabilities. Altogether, our contribution represents an important stepping-stone to a rational design and synthesis of sensing platform with excellent sensing properties.
특정 질병과 관련된 환경 유해가스 종 및 바이오마커 분자를 ppm 수준으로 모니터링할 수 있는 화학 가스 센서가 큰 주목을 받고 있습니다. 다양한 종류의 가스센서중에서 SMO(반도체식 금속산화물) 기반의 가스센서는 작동 원리가 간단하고 감도와 안정성이 높으며 소형화가 용이하여 많은 관심을 받고 있습니다. 그러나 우수한 선택성으로 ppm 이하 수준의 표적가스물을 검출하는것은 여전히 큰 도전으로 남아있습니다. 이 문제를 해결하기 위해 나노구조화, 상제어, 촉매 결착, 및 분자거름체층 도입을 통해 감지 특성을 향상시키는 다양한 전략이 도입되었습니다. 박사과정중에 저는 (i) 나노섬유 얀을 활용한 새로운 센서 플랫폼 개척, (ii) 분자거름체층, (iii) 산화물에 대한 광열효과를 통한 상제어와 촉매결착, (iv) 빛을 활용한 단일원자 촉매가 형성된 그래핀 합성, 그리고 (v) 엑솔루션 촉매가 결착된 하이브리드 산화물 촉매를 도입하여 고감도/고선택성의 화학 센서를 다양하게 개발하였습니다. 단일 가닥의 얀은 높은 비표면적과 발달된 기공구조를 통해 가스분자들의 용이한 확산과 표면 반응을 가능케 합니다. 분자거릅체층을 추가로 도입함으로써 가스센서로써 안정성과 감도, 선택성을 개선할 수 있습니다. 반면, IPL을 산화물 지지체에 도입하게 되면 벌크 산화물 격자에서 결정 구조의 열화학적 조정을 통해 상제어와 다성분계 나노입자 촉매의 동시 초고속 합성이 가능합니다. 또한, IPL 공정을 통해 단일원자 촉매가 결착된 그래핀을 합성할 수 있습니다. 한편, 엑솔루션 나노입자가 결착된 페로브스카이트 복합 촉매를 도입함으로써 우수한 장기 안정성을 갖는 센서를 구현할 수 있습니다. 나노구조 나노물질을 효과적인 표면 활성 조정 전략과 결합하여 탁월한 가스 감지 성능을 성공적으로 구현하였습니다. 전체적으로, 본 연구들의 기여는 우수한 감지 특성을 갖는 감지 플랫폼의 합리적인 설계 및 합성에 중요한 디딤돌 역할을 하는 연구가 될 것으로 생각됩니다.
