MXene/rGO纤维应用于高度耐用的室温氨气传感器

【研究背景】

 氨气(NH₃)已广泛应用于化工行业各种材料的生产中，在日常生活中也经常作为制冷剂代替对人体有害的氟氯烃。为了有效减小对人体健康的潜在危害，这种无色的气体应该被持续监测。因此，人们开发了气体传感器来探测周围大气中存在的有毒、有害和挥发性气体。近年来，柔性微型气体传感器因其低廉的成本、良好的生物相容性以及可集成到智能可穿戴和便携式电子设备中的能力而受到广泛关注。我们注意到，与此类装置集成的气体传感器需要在室温下工作，以实现低能耗和良好的传感稳定性。为了扩大NH₃气体传感器的使用，这些传感器最好在室温下工作;灵活、耐穿、以织物为基础;并能在高应变或大变形条件下工作。最近，有报道称石墨烯纤维(GFs)是一种新兴的石墨烯结构，可通过湿法纺丝高浓度氧化石墨烯分散体制备。事实上，由于GFs具有纤维结构、柔韧性好、重量轻等优点，因此在可穿戴气敏应用领域具有很大的优势。此外，值得注意的是，氧化石墨烯胶体的湿法纺丝工艺允许与非可纺纳米材料共组装成纤维状，使其有机会作为可穿戴和灵活的气体传感设备的材料。

【成果简介】

近期，汉阳大学Hyoun Woo Kim教授和Tae Hee Han教授在国际知名学术期刊ACS Applied Materials & Interfaces上发表一篇题目为：Room-Temperature, Highly Durable Ti3C2Tx MXene/Graphene Hybrid Fibers for NH3 Gas Sensing的研究论文，提出了一种通过可塑的一步湿法纺丝工艺制备由分层的Ti₃C₂T_x MXene和氧化石墨烯片组成的混合纤维的方法。传统的GFs湿纺方法使用金属离子(如Ca²⁺和Al³⁺)将单个氧化石墨烯薄片以纤维的形式固定在一起，而本文提出了一种通过有机溶剂扩散使凝胶纤维凝固的无金属离子粘合剂工艺。由于残留的添加剂会使纤维性能恶化，所以我们采用有机溶剂体系来避免添加剂的使用。因此，本文的纤维挤压方法可以连续拉伸MXene/GO纤维到几米的长度。此外，利用MXene/rGO混合纤维制作了标准的光纤式气体传感器。与其他特定材料相比，MXene/rGO混合纤维表现出显著提高的NH₃传感响应(ΔR/R₀ = 6.77%)。这些自支撑的、柔性的MXene/rGO纤维表现出良好的弹性和对机械变形的稳定性，使其成为便携式可穿戴传感设备的必备材料。本文介绍的纺丝工艺具有通用性，可推广到其它类型的MXenes或纳米材料。

【图文导读】

图1.MXenes和石墨烯纳米片的物理表征图像。

图2. MXene/GO混合纤维的制备流程图以及实物图。

图3. MXene, GO,MXene/GO, and MXene/rGO的拉曼和XPS表征图像。

图4.MXene薄膜,rGO 纤维, and MXene/rGO 混合纤维的气敏性能表征。

图5.不同弯曲下MXene/rGO混合纤维的性能表现。

【本文总结】

     本文开发了一种可靠而有效的无粘结剂的湿纺纤维工艺，来实现层层组装氧化石墨烯和分层Ti₃C₂T_xMXene片。由于热还原过程中两种材料的还原电位不同，MXene/GO纤维通过简单的电流置换反应将氧从GO转移到MXene。MXene/rGO混合纤维在室温下具有优异的机械耐久性、柔韧性和化学活性，可用于柔性和可穿戴气体传感器。MXene/rGO杂化纤维的优化带隙、协同效应和MXene端原子氧含量的增加显著改善了NH₃传感响应性能同时功耗低。MXene/rGO杂化纤维的弯曲疲劳试验表明，其截面上的褶皱表面和细小的孔洞是其柔性结构的主要原因。变形的噪声在这个时候(ΔR / R0 =±0.2%)远小于气体反应,使它适合可穿戴设备。此外，通过简单的传统编织方法将极具柔韧性的MXene/rGO混合纤维编织成实验衣，并显示出可靠的传感能力。本文这种新路线提供了一种简单、可扩展的MXene/石墨烯混合纤维湿纺的有效策略，其应用不仅限于可穿戴气体传感，而且对各种下一代柔性、可携带可穿戴能源设备也有很大的吸引力。

文献链接：

https://dx.doi.org/10.1021/acsami.9b21765.

信息来源： MXene Frontier