ACS AMI：Mo基MXene室温下选择性检测甲苯

空气污染是全世界人类面临的最紧迫的问题之一。目前，有毒气体的检测已成为必不可少的环境监测、工业安全管理和医疗应用。基于不同的传感平台存在不同的气体传感技术; 这些器件包括电容器件、电阻器件、石英晶体微平衡传感器、固态场效应晶体管和有机场效应晶体管。特别是，在所有有毒气体中，挥发性有机化合物(VOCs)由于其毒性和挥发性，正对环境和人类健康构成越来越大的威胁。研究人员已经采用了多种传感器和分类模型来检测VOCs。甲苯被认为是空气中最危险的VOC污染物之一，是对人类健康的主要威胁，即使吸入的量很低，也会引起头晕、迷惑和色觉问题。此外，由于硝化甲苯具有致癌性质，长期接触可能导致呼吸道癌症。在吸烟者的呼气中发现甲苯生物标记物，其浓度比非吸烟者高出许多个数量级。由于呼吸分析已成为疾病诊断中最重要的非侵入性方法之一，监测和测量呼吸中的甲苯浓度可作为识别吸烟者和非吸烟者以及监测甲苯暴露程度的有效方法。此外，有报告表明甲苯对中枢神经系统的急性影响，它在中枢神经系统中起着抑郁药的作用。因此，甲苯的检测对改善医疗保健具有重要意义。在现有的各种气体传感器中，基于金属氧化物的传感器是最有希望用于甲苯检测的候选者。应用机器学习算法可以解决金属氧基气体传感器选择性差的问题。然而，金属氧化物传感器需要在高温下工作，大部分在300℃到500℃之间，这限制了它们在现实应用中的作用。

近期，King Abdullah University的Khaled N. Salama教授在国际知名学术期刊ACS Applied Materials & Interfaces上发表一篇题目为：Selective Toluene Detection with Mo₂CT_x MXene at Room Temperature的研究论文，为了解释实验结果和揭示潜在的感知机制，本文应用基于密度泛函理论的从头算模拟来研究Mo₂CT_x和VOC分子之间的相互作用。将表面官能团O、OH和F分别建模Mo₂CT_x，并对实验中所测VOCs的反应进行评价。首先计算Mo₂CT_x与VOCs之间的吸附能。然后，对电流电压特性进行模拟，以确定所观察到的器件灵敏度和选择性，并为提高器件性能提供指导。

图1. 材料制备以及器件制备原理图。

图2. 材料的SEM表征。

图3.材料XRD表征。

图4.测量了不同Mo₂CT_x浓度下VOCs的传感响应。

图5.测量了不同超声时间下VOCs的传感响应。

图6.Mo₂CT_x暴露2分钟对不同VOCs的瞬态响应。

图7. 器件灵敏度。

图8.气体吸附理论模拟。

图9.吸附VOC分子前后材料的电流-电压特性。

综上所述，本文演示了一种基于2D MXene Mo₂CT_x的甲苯化学传感器。我们优化了MXene的理想浓度(0.066 mg/ mL)和超声时间(8 h)，以获得更高的灵敏度。与其他VOCs相比，嵌入Mo₂CT_x薄片的微组装传感器选择性地识别了甲苯。利用Mo₂CT_x的从头算模拟，确定了其与各种VOCs的相互作用强度。所获得的电流电压特性定量地与实验数据吻合良好。制备的传感器设备显示在140ppm 时达到0.0366Ω/ppm的敏感性，220ppb的监测限度,甲苯浓度的线性响应范围是从35到175 ppm。在不同VOC浓度下对该装置进行2分钟的瞬态分析，确认了传感器的恢复。基于Mo₂CT_x的传感器在环境监测中应用前景广阔。

文献链接：

https://doi.org/10.1021/acsami.0c16302.

信息来源: MXene Frontier

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