V基MXene丙酮传感器

【研究背景】

近年来，由于氧化挥发性有机化合物(OVOCs)对人类健康和环境的威胁，大量研究对其进行了强调。在各种各样的OVOCs中，丙酮是最有希望用于各种工业和医学应用的研究对象之一，尤其是在糖尿病诊断方面。临床分析表明，健康人呼出的丙酮浓度为300-900ppb，而糖尿病患者呼出的丙酮浓度将超过1.8 ppm。虽然在高选择性微量水平的丙酮传感器方面也做了类似的工作，但面对较低的诊断阈值和复杂的生理环境，一个在低ppm水平上对丙酮具有高选择性的严格的传感器仍然是迫切需要解决的问题。近年来，MXenes因其在能源储存、水净化、电磁屏蔽、光热光谱分析癌症治疗和气体分离等诸多领域的广泛应用而受到广泛关注。

【成果简介】

近期，广东工业大学赵伟娜在国际知名学术期刊RSC Advances上发表一篇题目为：A high-performance trace level acetone sensor using an indispensable V₄C₃T_x  MXene的研究论文，文中在室温下使用HF水溶液对V₄AlC₃ 的Al层进行选择性蚀刻，制备了一种新兴的MXene，V₄C₃T_x。本工作首次将V₄C₃T_x MXene用于丙酮检测。有趣的是，文中发现拥有金属导电性的V₄AlC₃经过HF处理后，变成的V₄C₃T_xMXene是半导体。值得注意的是，V₄C₃T_xMXene在25°C的低工作温度和1ppm的低检测限下显示出出色的丙酮敏感性能。良好的丙酮传感性能使V₄C₃T_xMXene成为为数不多的满足两个先决条件（对低浓度(低ppm)高灵敏度，对混合气体高选择性）的丙酮传感器之一，为研究MXene在气体传感器中的应用开辟了一条道路。

【图文导读】

图1.二维V₄C₃T_xMXene的合成、结构和几何形态示意图。

图2. HF处理前后V₄AlC₃的表征与分析。

图3. 多层剥离V₄C₃T_x纳米片和量子点的TEM表征。

图4.制备的V₄C₃T_x器件的丙酮传感性能。

图5.V₄C₃T_x膜对靶物质的传感响应示意图以及DFT优化的在V₄C₃单分子层上吸附效果最好的的结构。

【本文总结】

     本文利用固态反应合成了高质量的V₄AlC₃单晶。通过用HF水溶液刻蚀掉V₄AlC₃Al层制备了一种新型的MXene相，V₄C₃T_x ，并采用XRD、XPS、EDX等手段进行了表征。而且经过HF处理后，V₄C₃T_x变成了半导体。值得注意的是，基于V₄C₃T_x 的丙酮传感器具有25°C的低工作温度，1 ppm的低检测限以及在丙酮和水蒸气的混合气体中对丙酮的高选择性，从而可以用于诊断糖尿病。此外，我们使用DFT计算来探索分子大小和吸附行为导致丙酮相对于水蒸气具有更高选择性的机理。V₄C₃T_x具有良好的丙酮传感性能，是一种很有应用前景的I型糖尿病传感器。实验结果与理论研究相结合，为新型高性能丙酮传感器的设计和生产提供了理论依据。

文献链接：

https://dx.doi.org/10.1039/c9ra09069j.