Sensors B. Chemical:三维褶皱MXene Ti3C2Tx/ZnO球用于室温柔性电阻式NO2气体传感器

MXenes是一大类新兴的二维材料，包括二维过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物。MXenes在气体/湿度传感、储能系统、水净化和电磁干扰屏蔽等领域显示出了潜在的应用价值。根据所报道的气体传感工作，基于纯二维MXene纳米片的气体传感器的信噪比高于其他二维气体传感材料，如石墨烯、过渡金属二卤化合物和黑磷。然而，MXene在干燥后会引起严重的聚集，失去较大的比表面积。因此，基于纯2D MXene纳米片的气体传感器的响应和选择性非常差，需要进一步改进以提高其实用性。

近期，吉林大学的卢革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：Flexible resistive NO₂ gas sensor of three-dimensional crumpled MXene Ti₃C₂T_x/ZnO spheres for room temperature application的研究论文，利用超声喷雾热解的方法演示了抗聚集三维皱褶MXene Ti₃C₂T_x球，提供了高比表面积的MXene，使目标气体具有大的吸附表面。此外，本文将ZnO纳米粒子与三维褶皱MXene Ti₃C₂T_x球复合，以创造更多的活化吸附位点。上述改进极大地提高了MXene传感器的NO₂敏感性、选择性、响应性和回收率。此外，利用聚酰亚胺(PI)衬底实现了柔性器件的NO₂室温传感，并深入探讨了MXene与NO₂之间的传感过程。基于上述传感性能，提出了新的传感策略和柔性气体传感装置。

图1. 三维MXene褶皱球和三维MXene褶皱球/ZnO的制备及柔性气体传感装置原理图。

图2. MXene三维褶皱球的形态和元素分布。

图3.三维MXene球/ZnO的形态和元素分布。

图4.研究了MXene片层、三维褶皱MXene球和三维褶皱MXene球/ZnO的结构、相表征和表面分析。

图5.研究了基于MXene薄片、三维MXene球和三维MXene球/ZnO的柔性气体传感器的选择性、浓度敏感性和回收特性。

图6.基于褶皱MXene/ZnO的柔性气体传感器的柔性NO₂传感性能、湿度对NO₂传感的影响以及氨传感与NO₂传感的差异。

图7. 气体吸附原理图。

图8.密度泛函理论(DFT)模拟了NO₂分子吸附在不同材料上。

综上所述，本文介绍了采用可靠有效的超声喷雾热解法制备MXene Ti₃C₂T_x三维褶皱球并进行改性，其他二维材料也可以采用类似的方法进行改性。三维皱褶后的MXene不仅保持了MXene片材的高比表面积，而且为与其他材料复合提供了稳定、均匀的途径。高比表面积、增加响应位点的可能性和高气敏材料使本文能够将三维褶皱MXene球应用于气体传感器。与MXene薄片和三维褶皱MXene球相比，三维褶皱MXene球/ZnO实现了NO₂的可逆感知，同时显著提高了对NO₂的选择性和响应。对100ppm NO₂的响应从27.27%提高到41.93%，回收率从30%大幅度提高到~100%。MXene球/ZnO具有高的NO₂传感性能，这是由于其表面的折叠和pn异质结的出现所导致的缺陷MXene球和ZnO纳米颗粒。三维褶皱MXene球体结构为MXenes的化学传感提供了新的思路，进一步促进了MXenes在气体传感器中的应用，从而为探索MXene气体传感机理提供了参考。

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.snb.2020.128828.

信息来源：MXene Frontie

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