MXenes气体传感器用于空气污染物检测

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【研究背景】

对器件微型化的追求极大地推动了二维纳米材料领域的研究。具有非凡物理和电子性质的石墨烯的发现，激发了人们寻找其他二维纳米结构的热情。较大的比表面积，电荷载流子的出色迁移性，无质量的狄拉克费米子，稳健的机械性能和热稳定性是石墨烯令人兴奋的一些特性，这些特性使其有望在储能，催化，自旋电子学和气体传感应用中发挥作用。基于大量的理论以及实验研究，研究人员认为，二维纳米结构在未来纳米器件发展方向上具有巨大的技术应用潜力。

一种被统称为“MXene”的层状材料是最近在二维纳米结构领域中出现的。迄今已报道了20多种MXene体系的实验合成，并进行了几十种以上的理论预测。优异的物理、机械和化学特性使其在水净化、能源储存和危险气体检测等多种技术应用中发挥着巨大的作用。碳化物MXenes (Ti₂C,Ti₃C₂)是研究最广泛的MXene家族候选产品，已报道了它们在气体传感和能量存储方面的卓越性能。由于具有高的表面积、可调的电子和化学性质以及在室温下工作的能力，MXenes在气体传感应用很有吸引力。

【成果简介】

近期，Uppsala University（乌普萨拉大学）Naresh Kumar Jena教授和Wei Luo教授在国际知名学术期刊Applied Materials Today上发表一篇题目为：Exploring two-dimensional M₂NS₂(M = Ti, V) MXenes based gas sensors for air pollutants的研究论文，他们探索了含S官能团的M₂N MXene片 (M = Ti, V) 对多种气体聚合物的传感倾向。选择的气体分子，包括CO₂, CO, CH₄, NH₃, NO, NO₂,H₂S和SO₂，都是对气候，尤其是对人类的健康有不利影响。温室效应是要求控制和监测大气中这些气体的众多原因之一。因此，不可避免地要监测这些气体在大气中的泄漏，以避免严重的健康危害。具有S官能团的氮化物MXenes尚未用于传感应用，因此，本文最近的工作是朝着开发纳米级传感设备迈出的一步。

【图文导读】

图1. Ti₂NS₂和V₂NS₂ MXene 片的模型图和态密度图。

图2. 各种气体的传感原理示意图。

图3. 吸附气体在Ti₂NS₂薄片上的电荷等表面密度。

图4.吸附了气体的Ti₂NS₂ MXene片的总态密度(TDOS)图。

图5.吸附气体在V₂NS₂薄片上的电荷等表面密度。

图6.吸附了气体的V₂NS₂ MXene片的总态密度(TDOS)图。

图7.Ti₂NS₂片在顶部和侧面的纳米设备设置示意图。

图8.Ti₂NS₂和V₂NS₂ MXene片吸附气体分子前后的零偏差传输。

图9.Ti₂NS₂和V₂NS₂表面不同气体分子的敏感性。

【本文总结】

本文研究了S表面官能团M₂N（M=Ti，V）MXene片材的传感能力，该材料以前尚未开发用于检测有毒气体。结果表明，Ti₂NS₂片可以作为NO、NO₂、H₂S和SO₂气体的传感材料。同样，V₂NS₂片也有类似的趋势，事实上，它对这些气体分子表现出更高的敏感性。电荷转移分析证实，NO分子与Ti₂NS₂片共享相当一部分电荷，这导致分子结构发生变化。DOS分析表明，磁性分子NO和NO₂对Ti₂NS₂和V2NS₂吸附后产生磁性。MXene表面对NO和NO₂分子的吸附能是理想的可逆吸附/解吸，因为M₂NS₂片在检测到气体分子后可以很容易的保持其原始状态。为了进一步证实该发现，在考虑了基于电阻测量的MXene基纳米器件传感器的基础上，计算了MXene片的传输函数，从而估计了气体吸附的影响。我们的所有结果都表明，这种装置是可行的，S功能化的传感器可以优化功能，特别是NO和NO₂。该发现是及时的，可以立即引起实验人员的注意。

文献链接：

https://dx.doi.org/10.1016/j.apmt.2020.100574.

信息来源： MXene Frontier