Sensors B Chemical：MXene衍生的Ti3C2Tx/K2Ti4O9复合材料用于高性能湿度传感

传感器是人工智能(AI)和物联网(IoT)快速发展的关键部件。湿度是工业、制药、农业和人类生活环境各种应用中的重要参数。因此，采用可靠的湿度传感器对相对湿度(RH)进行灵敏、准确的检测变得越来越重要。先进新材料的发展促进了湿度传感器的研究。为了实现高灵敏度的电阻式传感器，需要两个理想的条件:(1)高导电性引起的低电噪声;(ii)强而丰富的分析物吸附位点诱导的高信号。在过去的几十年里，许多具有不同结构和/或不同转导机制的功能材料，如半导体金属氧化物、聚合物和二维(2D)材料，在灵敏度、响应速度和精度上都得到了提高。其中石墨烯、黑磷、过渡金属硫化物、过渡金属碳化物和碳氮化物等二维材料因其高比表面积(SSA)、表面官能团种类繁多、响应速度快、检测效率高而备受关注。作为一种新型的二维金属碳化物、氮化物或碳氮化物，自2011年报道以来，具有强亲水性和高导电性的MXenes在许多领域得到了广泛的研究。在迄今合成的所有MXenes中，Ti₃C₂T_x因其相对容易合成和高稳定性而受到广泛的研究。

近期，吉林大学的张宇教授在国际知名学术期刊Sensors and Actuators: B. Chemical上发表一篇题目为：High performance humidity sensing property of Ti₃C₂T_x MXene-derived Ti₃C₂T_x/K₂Ti₄O₉ composites的研究论文，本文尝试合成手风琴状的Ti₃C₂T_xMXene/K₂Ti₄O₉（A-Ti₃C₂T_x/K₂Ti₄O₉）和片状的Ti₃C₂T_xMXene/K₂Ti₄O₉（S-Ti₃C₂T_x/K₂Ti₄O₉）复合材料，具有增强的RH响应性能的湿度传感材料。将手风琴状的Ti₃C₂T_xMXene（A-Ti₃C₂T_x）和片状的Ti₃C₂T_x MXene（S-Ti₃C₂T_x）在KOH溶液中原位碱化48 h制备了复合材料。所制备的S-Ti₃C₂T_x/K₂Ti₄O₉复合材料在S-Ti₃C₂T_x表面上呈现出缠绕状的丝状纳米结构，宽度为10 ~ 50 nm。结果表明，S-Ti₃C₂T_x/K₂Ti₄O₉复合材料的响应比纯的A-Ti₃C₂T_x高8倍以上。这种增强的响应特性可能归因于以下三个方面:(i)插层K⁺使Ti₃C₂T_x MXene的层间距离增大，有利于水分子的插层; (ii)亲水层状K₂Ti₄O₉纳米线能够吸附和嵌入水分子; (iii)具有扩大比表面积（SSA）的丝状多孔纳米结构提供了传感材料与水分子之间更有效的接触。这些都大大提高了Ti₃C₂T_x MXene纳米结构对水分子的敏感性。总之，期望这项工作将为Ti₃C₂T_x或其他MXenes作为高灵敏度传感器的应用打开大门。

图1. A-Ti₃C₂T_x、S-Ti₃C₂T_x、A-Ti₃C₂T_x/K₂Ti₄O₉和S-Ti₃C₂T_x/K₂Ti₄O₉复合材料合成原理图。

图2. 复合材料的SEM和TEM表征。

图3.复合材料物理表征。

图4.复合材料XPS表征。

图5.湿度响应特征。

综上所述，本文通过对Ti₃C₂T_x MXene进行处理，合成了S-Ti₃C₂T_x/K₂Ti₄O₉复合材料。所制备的S-Ti₃C₂T_x/K₂Ti₄O₉复合材料在较小的S-Ti₃C₂T_x片的表面上生长出交织的窄宽度的丝状纳米结构。当使用S-Ti₃C₂T_x/K₂Ti₄O₉复合材料作为湿度传感材料时，Ti₃C₂T_xMXene的增大的层间距离和亲水层状的K₂Ti₄O₉纳米线的形成可以促进水分子在整个多孔框架中的吸附，解吸和扩散。结果表明，S-Ti₃C₂T_x/K₂Ti₄O₉复合材料的响应比纯的A-Ti₃C₂T_x高8倍以上。综上所述，本研究工作为开发Ti₃C₂T_x或其他MXene材料来构建MXene基的高性能湿度传感器提供了一个有前途的新策略。

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.snb.2020.128969.

信息来源: MXene Frontier

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