武汉科技大学王玉华团队Small：MXenes材料在气体传感领域所面临的机遇和挑战

【导读】 

对有毒、有害、爆炸性和挥发性气体的检测不能从气体传感器中分离出来，气体传感器也被用于监测温室效应和空气污染。然而，现有的气体传感器仍然存在许多缺点，如灵敏度低、选择性低、室温检测不稳定等。因此，迫切需要寻找更合适的传感材料。一种新的二维层状材料MXenes的出现为解决这个问题带来了曙光。MXenes具有比表面积高、末端官能团丰富、亲水性好、导电性好等优点，使其成为最高产的气感材料之一。

 【成果掠影】

因此，本文综述了目前MXenes材料的主要合成方法，并重点总结和整理了MXenes在气敏传感应用中的最新研究成果。并介绍了MXenes材料对氨、二氧化氮、甲基和挥发性有机化合物（挥发性有机物）可能的气体传感机理。总之，它提供了对MXenes材料在气体传感领域所面临的问题和即将到来的挑战的见解。

【数据概览】

图1  气体传感应用的各种材料（层状双氢氧化物、氮化硼、过渡金属双卤化物、石墨烯和MXenes）的主要研究代表性工作。

图2  MXenes性能树，具有快速的电荷转移通道（电导率）、丰富的端效应基团（羟基和氧基带来良好的亲水性）、机械灵活性、导热系数和电磁吸收屏蔽效应。

图3  MXene等复合材料的制备方法及应用领域。

图4  a) 通过从MAX相和相关的层状化合物中去除a层来生产MXenes的两种方法的示意图。用溶液蚀刻法合成的MXene示意图：b) Ti MXene；c) V-MXene。 V₂AlC₂ MAX相与HF生产V₂CT_x MXene。通过HF蚀刻合成MXenes的过程: d) MAX相（Mn+1AXn）层状结构，e) 剥离原子层产生弱结合的MXenes多层，f) 通过分层形成单层或几层的MXenes。

图5  纯MXene和自修饰应用于气体传感器。

图6  a) Ti₃C₂T_X的合成工艺图。b) 100 ppm丙酮和c)在室温下（25°C）的100 ppm的Ti₃C₂T_x基装置的气体传感性能。d) Ti₃AlC₂使用不同的碳源（TiC、石墨和碳油烟）合成，然后使用Ti₃C₂T_x MXene。e) 使用不同碳源生产的MXene薄膜的XRD模式，显示薄膜质量存在显著差异。f) 用不同MAX前驱体制备的Ti₃C₂T_x的气体传感性能。这三种麦克己烯对乙醇、丙酮和氨表现出不同的敏感性。g) 不同气体分子吸附在Ti₃C₂O₂表面的最稳定的构型。h) Ti₃C₂T_x MXene气体传感器，吸收氨。i) Ti₃C₂ MXene传感器在甲烷、硫化氢、水、乙醇、丙酮、500 ppm、乙醇、甲醇、丙酮、氨和NO室温（25°C）下的气传感测量。j) 用于制造超薄（纳米级）MXene薄膜的界面自组装方法图。k) 各类型薄膜与测试气体相关的气体响应

图7.  基于MXenes的气体传感技术未来的四个重要发展方向。

【成果启示】

用MXenes作为传感材料制备的气体传感器具有高灵敏度和超低的挥发性有机物、氨、湿度等气体检测限，为气体和湿度的识别和诊断提供参考技术支持，以及环境和健康等多个领域的先进检测解决方案。此外，基于MXenes的气体传感器具有低噪声、可在室温下工作、尺寸小、易于集成到可穿戴纳米电子设备中，弥补了传统气体传感器的缺点。近年来，研究人员通过半导体重组和酸碱处理等方法，在提高MXene的单一选择性和稳定性方面取得了一定的进展。

武汉科技大学博士生王一彤为第一作者，王玉华教授为通讯作者。

原文详情： Yitong Wang, Yuhua Wang,* Yanbing Kuai, and Min Jian. “Visualization” Gas—Gas Sensors Based on High Performance Novel MXenes Materials[J]. Small, 2023, 2305250.

原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202305250

本文由作者供稿