用于肺癌标志物己醛高灵敏度和选择性检测的MnO2/Ti3C2Tx基气体传感器的制备和表征

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研究速览

■ 近日，上海理工大学朱志刚教授，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Fabrication and Characterization of a MnO2/Ti3C2Tx Based Gas Sensor for Highly Sensitive and Selective Detection of Lung Cancer Marker Hexanal”的研究论文。该论文在Ti3C2Tx-MXene的表面和层间引入了具有大量氧空位和高催化活性的MnO2。由于存在更多的活性中心和p-p异质结，MnO2/Ti3C2Tx复合基气体传感器在低温下对不同挥发性有机化合物的响应比原始Ti3C2Tx基传感器高10-20倍。此外，该传感器对己醛（肺癌标志物）有着独特和更好的响应，并且具有良好的再现性和稳定性。该研究通过阐明MnO2/Ti3C2Tx复合基气体传感器的气敏机理，为设计工业应用的MXene基传感器提供了新思路。

硕士生姚宇为本文的第一作者。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.139029

Part1

▉  研究摘要  ▉

■ 己醛被认为是肺癌的合适生物标志物，健康人呼出的空气中几乎不含己醛。因此，开发一种用于早期癌症检测的无创筛查技术是一个巨大的挑战；然而，很少有研究集中于己醛的检测和评估。因此，为了实际应用，迫切需要开发高灵敏度和选择性的己醛气体传感器。MXene是一种二维（2D）纳米材料，是一种可行的VOC检测候选材料。不幸的是，即使对于被认为具有优异电性能的少层Ti3C2Tx-MXene，其气体传感器对一些常见气体仍的灵敏度和稳定性仍然较差，这严重阻碍了其实际应用。研究人员将MXene与金属氧化物半导体（MOS）结合形成异质结构以提升传感性能，但仍然缺乏对MOSs/MXene基气体传感器综合性能的系统研究。

■ 鉴于此，上海理工大学朱志刚教授课题组报道了一种简单的高温热处理方法来合成MnO2/MXene基纳米复合材料气体传感器。首次在低温区间（25-150℃）内讨论了MXene基气体传感器的气敏性能。p-p异质结的产生显著增强了纳米复合材料在低温下对不同VOC的响应，并提供了对己醛的独特和更好的响应。

Part2

▉  研究要点1  ▉

■ 作者通过一种简单的高温热处理方法来合成MnO2/MXene基纳米复合材料。多层MXene被强氧化剂KMnO4官能化，其在水热过程中抑制了MXene氧化为TiO2，MXene的层状形态得到了很好的保持，这些MnO2纳米球的平均直径约为300-400 nm，它们紧密且均匀地负载在表面和MXene层之间。同时，MXene的层间距减小，层变得更厚和更粗糙。此外，不同Mn2+含量的MnO2/Ti3C2Tx复合材料表现出不同的形态。

▉  研究要点2  ▉

■ 作者研究了多层Ti3C2Tx、MnO2纳米球和MnO2/Ti3C2Tx复合基传感器在低工作温度（25 °C–150 °C）下对己醛的响应。在100 °C下，MnO2/Ti3C2Tx纳米复合材料基气体传感器表现出最佳性能，具有完整的响应恢复过程，并且该气体传感器展现出了良好的气体传感综合性能。

▉  研究要点3  ▉

■ 在这项工作中，作者通过采用Ti3C2Tx作为衬底并将MnO2（活性中心）均匀负载在MXene表面，制备了MnO2/Ti3C2Tx纳米复合材料。MnO2/Ti3C2Tx纳米复合材料传感器对己醛的气敏性能改善可归因于两个因素：

（1）MnO2和Ti3C2Tx形成异质结界面，它们的协同效应促进了载流子的分离和传输，改善了己醛气体分子和载流子扩散。

（2） 高度缺氧的MnO2和富含缺陷的Ti3C2Tx表面为气体反应提供了更多的反应中心，并改善了传感性能。

Part3

▉  研究总结  ▉

■ 作者通过将小尺寸MnO2纳米片均匀负载在多层MXene上，成功制备了基于多层Ti3C2Tx的纳米复合材料。基于MnO2/Ti3C2Tx纳米复合材料的传感器对于己醛的灵敏度显著优于纯Ti3C2Tx和MnO2。优化后的传感器响应为52%，响应和恢复时间分别为134秒和381秒。MnO2由于其高缺氧性和对己醛分子的优先反应性而被视为传感机制模型中的活性中心。此外，在MnO2和Ti3C2Tx的接触界面处产生p-p异质结提高了MnO2/Ti3C2Tx的传感性能。具有高催化活性的MnO2和Ti3C2Tx可能是MnO2/Ti3C2Tx复合基传感器独特选择性的主要原因。在未来的研究中，这一假设将通过观察其他活动中心的敏感性和选择性进一步完善。