MXene室温气体传感器

【研究背景】

预防是疾病治疗的最优方式。在疾病恶化之前进行早期检测，才有可能提供更多的治疗机会，从而增加患者生存的可能性。早期预防的一个方向便是从呼吸、心率和皮肤对人体进行持续的生理监测。值得注意的是，在人的呼吸中已经检测到大约200种化合物，其中一些气体能反映出身体的健康状况。因此，利用气体检测和配套的呼吸分析将是一个实用的医疗方法。同时这些气体传感器应该配备一些其他功能，如便携性、可穿戴性、柔韧性等。但是现有的传统的气体传感器都是在固体衬底上制作的，因此不能做成可穿戴的电子设备。同时，现在商业化的金属氧化物传感器无法在室温下工作。因此，在柔性衬底上开发具有良好室温传感性能的新材料是十分必要的。二维材料在理论上被预测有很好的室温气体传感性能。

【成果简介】

2017年，奥本大学Dong-Joo Kim教授第一次报道了基于Ti₃C₂T_x的气体传感器。他们用制作的传感器在室温下测试了乙醇、甲醇、丙酮和氨气。为Ti₃C₂T_x在传感器方面的应用提供了一个新的方向。该成果在线发表于: ACS Applied Materials & Interfaces: Room Temperature Gas Sensing of Two-Dimensional Titanium Carbide (MXene)

【图文导读】

图1 示意图：(a) Ti₃C₂T_x合成流程，(b)电极溅镀，(c)溶液沉积过程，(d)气敏设备。

图2 (a) Ti₃C₂T_x纳米片表面结构和不同官能团的示意图，(b) (i)刻蚀前Ti₃AlC₂和(ii)从MAX相结构中选择性去除Al后分层Ti₃C₂T_x膜的XRD图谱，显示MAX相峰消失，(002)峰移向更小的角度。

图3 Ti₃C₂T_x膜的形态特征。(a)整个Ti₃C₂T_x传感器平台的光学图像，(b) 干燥的Ti₃C₂T_x膜在沉积在柔性聚酰亚胺薄膜上的叉指铂电极上的SEM图像，(c)放大后的涂层Ti₃C₂T_x膜，(d)薄膜的横截面图，(e)薄膜的EDS分析。

图4 分层Ti₃C₂T_x的FTIR图谱。

图5室温下，Ti₃C₂T_x传感器对100ppm乙醇，甲醇，丙酮和氨气的气敏检测结果。

图6 Ti₃C₂T_x对氨气可能的吸附原理示意图

图7本研究中每种气体的平均气体响应的计算结果。

图8 (a)Ti₃C₂T_x传感器电阻曲线作为氨气浓度的函数，(b) 丙酮浓度与气体响应的关系。

【本文总结】

该研究首次证明了Ti₃C₂T_x在室温下检测一系列VOC气体的能力。将合成的Ti₃C₂T_x纳米薄片用易操作的溶液浇铸法制备在柔性聚酰亚胺薄膜上，并对其表面化学性质进行了研究。Ti₃C₂T_x传感器在室温下成功地检测了所有被测VOC气体，如乙醇、甲醇、丙酮、氨气等，表现出p型传感行为。由于Ti₃C₂T_x传感器具有较大的吸收能量，因此对氨气有较高的传感响应。根据传感材料与传感材料之间的相互作用产生的多数电荷载流子转移，提出了该传感器可能的传感机理。这种新型的Ti₃C₂T_x气体传感器将是未来可穿戴电子设备的新一代通用传感器，其性能可与其他2D材料传感器相媲美。

文献链接：

https://doi.org/10.1021/acsami.7b11055

消息源：微信公众号 MXene Frontier