类海胆状MXene衍生TiO2纳米线用于高性能湿度传感器

【背景介绍】

测量湿度是卫生保健中的一种常见做法，例如呼吸监测和情绪检测。迄今为止，研究者们已经研究了多种纳米材料，例如氧化石墨烯，MoS2，金属氧化物和纳米杂化物作为湿度感测材料。这些类型的湿度传感器可被小型化以用于可穿戴设备，并且能耗低。但是，此类设备通常在低相对湿度（RH）水平（<40％RH）下灵敏度较差。

【成果简介】
近日，深圳大学彭争春教授课题组报道了一种在二维Ti3C2 MXene上原位生长TiO2纳米线的方法。与纯Ti3C2或TiO2材料相比，该方法制备的Ti3C2 / TiO2复合材料比表面积大一个数量级，这种类似海胆状的复合结构在低相对湿度（RH）环境中显示出前所未有的高灵敏度。作者利用复阻抗谱和肖特基结理论解释了在不同湿度条件下Ti3C2 / TiO2复合材料的潜在传感机制，并演示了由Ti3C2 / TiO2复合材料制成的湿度传感器对各种液体以及人类手指在非接触式检测中的应用。
该成果在线发表于ACS Applied Materials & Interfaces：High-Performance Humidity Sensor Based on Urchin-Like Composite of Ti3C2 MXene-Derived TiO2 Nanowires。彭争春教授课题组李宁博士和蒋月为文章共同一作，邢晨阳助理教授为共同通信。

【图文导读】

图1：（a）材料准备过程：HF蚀刻，LPE，碱氧化等方法。（b）实验装置示意图

图2 （a）在不同条件下制备的Ti3C2 / TiO2复合材料的湿度响应（样品A1-A9）。（b）块状TiO2，Ti3C2纳米片，水热法制备的Ti3C2/ TiO2复合材料和碱氧化法制备的Ti3C2/ TiO2复合材料的湿敏性比较（样品A5）。（c）在不同的相对湿度下，传感器A5的电容与工作频率的关系。（d）传感器A5的电容输出与RH的关系。（e）暴露于一系列RH条件下的传感器A5的响应和恢复特性。（f）分别暴露于33％RH，54％RH和84％RH的传感器A5的重复性性能。（g）在7-97％RH范围内测得的吸附-解吸响应的磁滞曲线。（h）传感器A5在不同湿度条件下40天的稳定性。

图3 湿度波动由集成在接近湿尿布的机械手的手指中的湿度传感器的电容输出反映出来。（a）水杯在不同温度下（b）（c）由已建立的湿度传感器测量的指尖近表面上的高度分辨电容图。（d）在5×5矩阵上方的三个指尖位置的照片。（e）接近的三个指尖的3D贴图。

图4 （a）水分子在Ti3C2 / TiO2复合膜上的吸附过程示意图。Ti3C2 / TiO2的复阻抗图Ti3C2 / TiO2复合膜在7-23％RH下的复数阻抗图（b）和33-97％RH（c）。（b，c）内插图：EC对应于复阻抗谱（CIS）谱。（d）在不同的RH条件下Ti3C2/ TiO2复合物的Bode图。（e）纯Ti3C2 膜的复阻抗图。

图5 （a）在不同的RH水平下测得的Ti3C2/ TiO2复合膜的I-V曲线。（b）Ti3C2 / TiO2复合膜的能带图（E0真空能级；W功函数；Ef费米能级；EC导带；EV价带）

【本文总结】
通过在KOH溶液中氧化Ti3C2制备了基于Ti3C2/ TiO2复合材料的湿度传感器。该传感器具有极高的比表面积，与纯Ti3C2或纯TiO2制成的传感器相比，具有出色的灵敏度，尤其是在相对湿度较低的情况下。CIS和Bode图被用来解释Ti3C2/ TiO2复合材料的传感机理。Ti3C2/ TiO2肖特基结的势垒也有助于提升该复合材料在低湿环境下的灵敏度。该传感器能够以非接触方式检测尿布的湿度和水的温度水平，并监控指尖的接近距离，表明其在健康监测、环境保护、人机交互等技术方面具有巨大潜力。


文献链接：
DOI: 10.1021/acsami.9b12168