黄维院士ACS Nano：用于传感的Ti3C2TX Mxene的最新进展、设计原则和未来展望

随着物联网、可穿戴电子、家庭自动化、智能工业等电子信息技术的飞速发展，传感器在人们的日常生活中发挥着越来越重要的作用。毫无疑问，传感器的性能主要取决于传感材料。在所有可能的候选材料中，具有二维（2D）平面结构的层状纳米材料具有许多优于块体材料的性能，适合于构建各种高性能传感器。MXenes作为一种新兴的2D材料，具有表面性质可调、带隙可调、机械强度高等优点，在各种应用领域具有广泛的应用前景。

近日，西北工业大学黄维院士，孙庚志从MXene纳米片的制备入手，总结了Mxene基传感器的最新进展，并重点概述了其潜在的传感机制，为今后设计高性能的传感器件提供了指导。

制备方法

目前制备MXene纳米片的常用策略是从MAX相（M_n+1AX_n）自上而下地刻蚀。一般说来，M−A键被认为具有金属性，而M−X键具有离子、金属和共价的多重特征。因此，与石墨烯的剥离相反，M−A键很难通过机械剪切断裂。然而，通过选择刻蚀可行的。MXenes的制备通常包括两个步骤，即A的选择性刻蚀和MXenes的分层。

理化性质

通常，MXene的性能主要取决于其组成，堆叠顺序和横向尺寸。当从MAX相（例如Ti₃AlC₂）中去除Al原子时，Ti原子暴露在Ti₃C₂层的两侧。这些不稳定的Ti原子易于与在水溶液中蚀刻期间产生的T_X（例如，-F，-OH和＝O）连接，从而降低总表面能。作者总结了MXenes的理化性质（热/化学稳定性、机械性能、光学性质以及电学性质）。

应用进展

作者总结了Mxenes基传感器的应用进展，包括：

1）应变/应力传感器（MXene的优点包括高电导率，出色的柔韧性和良好的亲水性（适用于湿法加工），使其在应变/应力传感器中具有潜在的应用前景）；

2）气体传感器（得益于其2D分层结构和可调节的表面端基，MXene被认为是开发气体传感器的理想平台）；

3）电化学传感器（MXenes作为典型的2D材料，具有生物相容性，大的比表面积，丰富的表面化学特性，可调整的横向尺寸，良好的导电性和机械强度，从而可以与目标物种进行有效且选择性的相互作用）；

4）光学传感器（由于MXene具有取决于层数和表面官能团的可调电子结构，因此表现出独特的非线性光学特性，并且可以承受比石墨烯高得多的激光辐射功率）；

5）湿度传感器（MXene具有导电性高，亲水性好和表面端子（例如-F a d d -OH）丰富的优点）。

仍存在挑战

作者最后指出尽管MXene被认为是一种通用的2D材料，并且已经取得了令人瞩目的成就，但是在将MXene用于传感器应用方面仍然存在挑战。包括：

1）尚无法实现以可控制的方式合成Mxene基传感材料；

2）需要进一步揭示MXene纳米片与其他物质（例如表面官能团，气体分子，水分子和杂化相）之间的界面性质；

3）来自不同信号（例如，湿度，气体，温度和应变）的干扰会导致测量结果不准确；

4）需要特别注意MXene纳米片的化学和热稳定性，尤其是在存在氧气和高温的潮湿环境中。

参考文献

Yangyang Pei, et al, Ti₃C₂T_X MXene for Sensing Applications: Recent Progress, Design Principles, and Future Perspectives, ACS Nano, 2021

DOI: 10.1021/acsnano.1c00248

https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.1c00248