金属离子插入增强了MXene气体传感器的选择性：原位X射线衍射研究

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【研究背景】

随着对有毒污染物、有机蒸气等气体种类检测需求的不断增加，具有高选择性和高灵敏度的气体传感器的开发受到了广泛的关注。在众多的传感材料中，二维材料因其高的表面体积比、优异的表面可调性和在室温下的高效率而被认为是很有前途的材料。基于电荷转移传感机制，二维材料如石墨烯、过渡金属二硫化物(TMDs)和磷烯被用作探测有毒气体和有机化合物的传感器通道。然而，尽管具有这些优点，二维材料的灵敏度、选择性和恢复时间仍有待提高。近年来，基于金属二维碳化钛(Ti₃C₂T_x) MXene薄膜的气体传感器表现出了突出的灵敏度和非常高的信噪比，克服了以往的局限性。Ti₃C₂T_x MXene传感器显示，对丙酮和氨等气体的ppb级检测，超过了现有二维材料气体传感器的最高灵敏度。有趣的是，Ti₃C₂T_xMXene气体传感器对挥发性有机化合物(VOCs)的响应高于NO₂等氧化性气体，这表明该传感器具有很高的选择性和超高的灵敏度。为了充分利用这些高灵敏的金属MXene传感通道的潜力，了解它们的气体传感机制对于制造对目标气体分子具有高选择性的最佳传感器至关重要。

【成果简介】

最近，德雷塞尔大学Yury Gogotsi教授和韩国科学技术院Hee-Tae Jung教授在国际知名学术期刊ACS Sensors上发表一篇题目为：Enhanced Selectivity of MXene Gas Sensors through Metal Ion Intercalation:In Situ X‑ray Diffraction Study的研究论文，文中利用原位x射线衍射(XRD)方法研究了Ti₃C₂T_xMXene薄膜化学电阻在气体和蒸汽引入时的层间溶胀行为。通过比较Ti₃C₂T_x传感器无响应和响应气体时，层间距离的实时(原位)变化，研究了层间溶胀对气体传感行为的可能影响。此外，文中通过层间金属离子插入来控制分子插入行为来控制气体的选择性。而且，从基本的观点来看，MXenes是研究层间溶胀对电导率变化影响的最佳材料之一，因为它具有高电导率和高插层能力的独特组合。希望这项工作能够对理解二维金属基化学电阻的传感机理以及设计高选择性的MXene传感器有所帮助。

【图文导读】

图1. 转移到SiO₂/Si圆片上的50nm Ti₃C₂T_x薄膜的形态和结构特征。

图2. 气体引入时，Ti₃C₂T_x薄膜(从0.3 mM NaOH溶液中转移的)的原位XRD测量。

图3. 不同浓度NaOH对Ti₃C₂T_x薄膜的溶胀行为的影响。

图4. NaOH处理的Ti₃C₂T_x传感器在室温下的气体传感性能。

【本文总结】

     本文通过原位XRD测试，研究了Ti₃C₂T_xMXene引入气体后的层间距变化。将用于气体传感实验的N₂和目标气体/蒸气依次引入XRD室中的Ti₃C₂T_xMXene薄膜中，研究薄膜膨胀行为与气体传感器响应的关系。在测量过程中，当加入乙醇蒸汽时，Ti₃C₂T_xMXene膜会选择性膨胀，而加入CO₂后则没有膨胀现象。结果表明，插层钠离子的浓度是测定乙醇蒸汽引入后溶胀程度的关键。溶胀程度与气体反应强度一致，0.3 mM NaOH处理的Ti₃C₂T_xMXene膜的溶胀程度最大，对乙醇的反应最高。因此，将预插层作为优化气敏性能的途径十分重要。本研究有助于理解MXenes的气体传感机制，并为气体或蒸汽分子与MXenes的相互作用提供了见解，这对吸附剂、分离膜和其他应用也很重要。

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