室温下高氨气选择性的Ti3C2 MXene传感器

【研究背景】

氨气（NH₃）广泛用于各种领域，包括氮肥，工业制冷剂，生物燃料和纺织品。但是，它是普通工业生产和制造过程中产生的最有害的环境污染物之一。氨气的爆炸极限是16-25%。根据美国职业安全与健康管理局发布的标准，人体可接受的氨气浓度限制为在25ppm下暴露8小时或者35 ppm下暴露15分钟。如果人类暴露于大量氨气中，皮肤，眼睛或呼吸系统会受到影响，从而导致失明和肺部疾病。同时人类呼吸中过量氨气的存在，可能与人体疾病有关。，因此寻找能够检测氨气的高性能传感器，对生产安全和人类健康具有重要意义。

在过去的几十年中，已经开发出了用于检测有毒气体的各种材料，包括金属氧化物半导体和碳纳米材料。然而它们大多数都是在高温下进行检测的，这使其不仅能耗高也无法应用于日常生活当中。MXene由于具有2D结构而具有较高的比表面积，并且表面富含官能团。 MXene的电导率可以通过表面官能团的类型和数量来改变。因此理论上，MXene可以用作气体传感器。近几年也有一些Ti₃C₂用于气体传感器的报道，但是没有实验研究专注于NH₃检测。

【成果简介】

  2019年，上海第二工业大学朱志刚教授与河南理工大学周爱国教授报道了对Ti₃C₂ MXene的NH₃传感所进行的实验研究和理论计算。在文献中，他们使用通过NaF + HCl蚀刻制成的Ti₃C₂（具有清洁的表面）来测试其气敏特性。实验测量表明，单层Ti₃C₂ MXene可用于构建在室温下具有高选择性的NH₃传感器。理论计算支持了Ti₃C₂ MXene对NH₃的高选择性。文中深入研究了传感器结构、湿度和NH₃浓度的影响。发现Ti₃C₂MXene是低温下检测NH₃的理想候选传感材料。这项工作为Ti₃C₂传感器在柔性电子监护领域的应用奠定了基础。

该成果在线发表于ACS Sensors: Ti₃C₂ MXene-Based Sensors with High Selectivity for NH₃ Detection at Room Temperature

【图文导读】

图1 Ti₃C₂微观结构：(a) (i) Ti₃AlC₂, (ii) ML-Ti₃C₂MXene 粉末, and (iii) SL-Ti₃C₂膜的XRD图谱。 (b) ML-Ti₃C₂ MXene 粉末的SEM图像。(c) SL-Ti₃C₂膜截面图的SEM图像。(d) SL-Ti₃C₂纳米片的TEM图像，内部是SL-Ti₃C₂悬浮液的丁达尔效应。(e) SL-Ti₃C₂纳米片的AFM图像。

图2 Ti₃C₂传感器室温下的响应。(a)室温(25℃)下Ti₃C₂ MXene传感器对500ppm的甲烷、硫化氢、水、乙醇、甲醇、丙酮、氨气和一氧化氮的气体传感结果。(b) 环境湿度对有不同层数敏感膜的Ti₃C₂传感器的相对电阻变化的影响。

图3  (a)Ti₃C₂气体传感器在室温下对不同浓度NH₃的动态响应。(b) 室温下Ti₃C₂气体传感器的响应与NH₃浓度的关系。

图4 Ti₃C₂传感器对500ppm氨气(a)、200ppm氨气(b)和50ppm氨气(c)的循环响应。(d) 25ppm氨气的响应—恢复曲线。