新型MXene超高灵敏度非极性气体传感器

【研究背景】
     高性能气体传感技术在环境监测、工业安全、食品安全以及智能家居系统等许多应用领域都至关重要，这是因为各种气体具有潜在的环境、健康和爆炸危害。例如，在绿色能源领域，氢和甲烷被广泛用作燃料，通过燃料电池系统发电，这已经越来越商业化。然而，高压氢气或甲烷的爆炸危险及其易燃性质是储存和输送这些气体的严重问题。因此，开发能够检测极低限度(微量)氢气和甲烷泄漏的可靠的气体监测传感器是克服安全挑战和防止灾难性事件发生的关键。为了达到这样的灵敏度水平，气体传感器应该建立一个快速和准确的检测，同时保持一个低的工作温度，以避免高功耗和防止意外触发爆炸。然而，这些非极性气体的惰性特性限制了它们与传统传感材料的相互作用，导致它们更难被探测到，特别是当它们以微量存在时。
     二维材料是未来传感应用最有前途的材料之一，这是由于它们可调整的表面产生的独特的化学和物理性质。与广泛应用于传感行业的传统金属氧化物不同，利用石墨烯和过渡金属硫族化合物(TMDs)等二维材料可以实现低温气体传感器。特别是，二维材料的高表面-面积-体积比，以及将其调整成所需的具有特定性能的结构的能力，使得器件的传感性能得到了显著改善，即使对于微量气体，也能提供更快、更高量级的气体响应。然而，目前对二维材料传感器的研究大多集中在对极性分子的检测上，对非极性和大分子检测中的应用研究较少。这主要是因为大多数二维材料在检测非极性和大分子时的传感性能较低。
     最近二维碳氮化物MXene在室温气体传感上有很多应用，这是由于它们与其他二维材料不同的近自由电子态（NFE），为快速、低损耗的载流子转移提供了理想的电子传输通道。特别是，V2C(OH)的NFE状态没有被占据，这意味着它是一种易于获得的电子传递工具，可用于快速、灵敏的检测。此外，二维MXenes表面的丰富的官能团使组装好的MXenes纳米薄片的层间间距扩大，使活性表面增大，并产生纳米尺寸的层间通道，供分析物在堆积的MXenes层间扩散。

【成果简介】
     最近，奥本大学Majid Beidaghi教授和Dong-Joo Kim教授报告了分层的单/少层d-V2CTx MXene对非极性分析物的室温气体响应和超高选择性。在柔性聚酰亚胺衬底上用简单的滴铸d-V2CTx溶液法制备了气体传感器装置。该装置可以检测到ppm以下的氢和甲烷以及其他挥发性有机化合物(VOCs)。V2CTxMXene气体传感器在室温下氢的探测极限为2ppm，其对非极性气体的探测性能超过了目前报道的最先进的2D气体传感器材料。
     该成果在线发表于ACS Sensors，题目为：Two-Dimensional Vanadium Carbide MXene for Gas Sensors with Ultrahigh Sensitivity Toward Nonpolar Gases。

【图文导读】

图1. (a)V2CTx MXene的合成和分层的示意图，显示了V2AlCMAX的结构和由此产生的表面功能化的V2CTx MXene。(b) V2AlC MAX相和ML-V2CTx、d-V2CTx MXenes的XRD图谱。刻蚀后，在ML-V2CTx的XRD图谱中在7.95°附近出现了新峰，对应于MXene的(0002)面。TBAOH插层后V2CTx完全分层，导致(0002)峰移到5.82°，与之对应的是MXenes的d-间距增加了4.06Å, (c) ML-V2CTx 的SEM图, (d)真空抽滤的d-V2CTx膜的SEM图, (e, f) d-V2CTx片的AFM图像以及相应的高度剖面图。

图2. V2CTx薄膜的形态、结构和电特性.(a)采用滴铸法沉积在插指铂电极上的V2CTx膜的SEM图. (b) 放大的V2CTx膜的俯视图. (c) V2CTx膜的横截面的TEM图. (d)V2CTx膜的EDS映射. (e)V2CTx膜的拉曼光谱. (f)V2CTx膜的用二电极法测得的I-V曲线.

图3. V₂CT_x的高分辨率XPS光谱. (a) V 2p部分, (b) C 1s部分, (c) O 1s 部分, 和(d) F 1s部分. (e)V₂CT_x气体传感器的传感机理示意图.

图4.V2CTx传感器室温(23℃)下的气体传感特性.室温下，对100ppm的氢、乙醇、丙酮、甲烷、氨和硫化氢的(a)电阻变化和(b)气体响应。在不同浓度的(c)氢，(d)丙酮，(e)甲烷和(f)硫化氢中V2CTx传感器的实时传感响应。

图5.室温(23℃)下气体响应与(a)氢(6-200ppm)和(b)甲烷(25-400ppm)分析物浓度的关系。(b)信噪比为3时的检测理论极限(LoD)。室温气体传感器对(d)氢气和(e)甲烷的LoD的最新参考比较，表明V2CTx传感器LoD最低。(d)和(e)中的y轴没有定量涵义；y轴显示的不同高度只用于显示不同的材料族。(f)室温正常情况下，V2CTx传感器对氨气一个多月的气体响应变化。

【本文总结】
     本研究制备了具有出色的气体传感性能和超高灵敏度的2D V2CTx气体传感器。通过选择刻蚀和插层工艺合成的单层/少层V2CTx MXene薄片，并且滴铸在聚酰亚胺传感器衬底上。合成的2D V2CTx气体传感器能检测微量的各种气体，包括非极性气体，如氢气和甲烷。氢的理论LoD为1ppm，甲烷的为9ppm，这在所有报道的2D材料和未处理的钒基金属氧化物中是最低的。文中认为，二维V2CTx器件优异的气敏性能与V2CTx纳米薄片表面的氧官能团有关。本工作可以引导基于MXene材料的新型气体传感器装置，用于在室温条件下安全、超高灵敏度地检测非极性分析物。

文献链接：
https://doi.org/10.1021/acssensors.9b00303

消息来源：微信公众号  MXene Frontier