【研究背景】

能夠精確檢測(cè)揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）的氣體傳感器的發(fā)展在工業(yè)安全控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)和個(gè)人健康等廣泛領(lǐng)域具有重要意義。在眾多VOCs傳感器中，丙酮傳感器因其在健康監(jiān)測(cè)和自我診斷方面的應(yīng)用前景受到人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。對(duì)于丙酮傳感器，金屬氧化物是應(yīng)用最廣的氣敏材料。其中，氧化鎢(WOx<3)因其優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、低成本、易合成、結(jié)構(gòu)多樣性和可控性而受到特別關(guān)注。然而氧化鎢氣體傳感器響應(yīng)仍然相對(duì)較低，檢測(cè)限也相對(duì)較高(>2 ppm)，不適合用于健康診斷。為了提高氣體傳感性能，可以采用構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)、制備復(fù)合材料、設(shè)計(jì)新型傳感器結(jié)構(gòu)、摻雜等方法。作為新興二維材料的MXene，其表面富含官能團(tuán)，可以作為氣體吸附的位點(diǎn)，具有優(yōu)異的氣敏材料前景。鑒于已有的一些MXene復(fù)合材料的報(bào)道，可以預(yù)測(cè)氧化鎢與MXene的復(fù)合材料應(yīng)該也會(huì)具有不錯(cuò)的氣敏性能。

【成果簡(jiǎn)介】

近期，上海海事大學(xué)常雪婷教授和中國(guó)石油大學(xué)（華東）張冬至副教授第一次報(bào)道了采用簡(jiǎn)易溶劑熱法制備的W18O49/Ti3C2Tx復(fù)合材料，并研制了基于這種材料的丙酮?dú)怏w傳感器。一維的W18O49納米棒均勻的分布在二維Ti3C2Tx薄片的表面，構(gòu)成了一維/二維W18O49/Ti3C2Tx復(fù)合材料。W18O49/Ti3C2Tx復(fù)合材料對(duì)丙酮的傳感性能有明顯的改善。對(duì)低濃度丙酮響應(yīng)高，響應(yīng)恢復(fù)速度快，選擇性好，穩(wěn)定性好，同時(shí)丙酮的檢測(cè)極限低。為制備高性能的丙酮傳感器提供了一種新材料。

該成果在線發(fā)表于Sensors and Actuators: B. Chemical:?W18O49/Ti3C2Tx?MXene nanocomposites for highly sensitive acetone gas sensor with low detection limit

【圖文導(dǎo)讀】

圖1 Ti3C2Tx?MXene片、W18O49納米棒以及W18O49/Ti3C2Tx復(fù)合材料的XRD圖譜。

圖2 (a)?MXene片的SEM圖和(b)對(duì)應(yīng)的Ti, C, O和F的EDS元素映射。W18O49納米棒（c, d）W18O49/Ti3C2Tx-1%（e, f），W18O49/Ti3C2Tx-1.5%（g, h），W18O49/Ti3C2Tx-2%（i, j）W18O49/Ti3C2Tx-2.5%（k,l）的SEM圖。

圖3 W18O49/Ti3C2Tx-1% (a),?W18O49/Ti3C2Tx-1.5%(b),?W18O49/Ti3C2Tx-2%（c）W18O49/Ti3C2Tx-2.5% （d）的TEM圖。（e）W18O49/Ti3C2Tx-2%選定區(qū)域W、O、Ti和C的元素映射。

圖4?（a）MXene片，W18O49納米棒（c, d）和W18O49/Ti3C2Tx復(fù)合材料的XPS能譜。（b）Ti 2p?和?(c) C 1s?對(duì)應(yīng)的MXene片的去卷積能譜。(d) W 4f和?(e) O 1s對(duì)應(yīng)的?W18O49納米棒的去卷積能譜. (f) Ti 2p?和?(g) C 1s?對(duì)應(yīng)的W18O49/Ti3C2Tx復(fù)合材料的去卷積能譜。

圖5?不同傳感器對(duì)20ppm丙酮在(a) 200℃, (b) 250℃, (c) 300℃, (d) 350℃, and (e) 400℃下的響應(yīng)—恢復(fù)曲線。（f）不同傳感器對(duì)20ppm丙酮的響應(yīng)隨工作溫度的變化曲線。（g）在200℃300℃下，W18O49/Ti3C2Tx-2%傳感器對(duì)20ppm丙酮的響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間。（h）在300℃下，W18O49傳感器對(duì)20ppm丙酮的響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間。

圖6?（a）300℃下，不同傳感器0.17-500ppm的丙酮的響應(yīng)恢復(fù)曲線。內(nèi)部圖片是對(duì)0.17-2ppm丙酮的響應(yīng)恢復(fù)曲線的放大圖。（b, c）不同傳感器對(duì)丙酮濃度的響應(yīng)曲線。（d）W18O49/Ti3C2Tx-2%傳感器對(duì)20ppm丙酮的循環(huán)響應(yīng)-恢復(fù)曲線。

圖7在300℃下，不同傳感器對(duì)20ppm的（a）乙醇，（b）甲醛和（c）氨氣的響應(yīng)恢復(fù)曲線。（d）不同傳感器對(duì)不同氣體響應(yīng)的比較。

圖8 (a)?在300℃下，在不同濕度下，W18O49/Ti3C2Tx-2%傳感器對(duì)20ppm丙酮的響應(yīng)恢復(fù)曲線(b)響應(yīng)與濕度的函數(shù)關(guān)系。

圖9丙酮與W18O49/Ti3C2Tx復(fù)合材料的反應(yīng)示意圖（b）-（d）不同條件下W18O49/Ti3C2Tx異質(zhì)結(jié)的能量差示意圖。

【本文總結(jié)】

本文成功地合成了W18O49/Ti3C2Tx復(fù)合材料。含2 wt% Ti3C2Tx的W18O49/Ti3C2Tx復(fù)合材料表現(xiàn)出最佳的丙酮傳感性能，其對(duì)20ppm的丙酮有11.6的響應(yīng)，極低的檢測(cè)下限為170 ppb丙酮，快的響應(yīng)/恢復(fù)率（5.6/6s?對(duì)170 ppb丙酮）。與W18O49和Ti3C2Tx傳感器相比，W18O49/Ti3C2Tx傳感器表現(xiàn)出優(yōu)越的丙酮傳感性能，可以歸因于W18O49納米棒均勻分布在Ti3C2Tx表面,水熱過程后去除了Ti3C2Tx的氟基,以及W18O49納米棒和Ti3C2Tx片的協(xié)同界面相互作用關(guān)系。一維/二維W18O49/Ti3C2Tx復(fù)合材料在丙酮傳感器方面具有潛在的應(yīng)用前景，其合成可以推廣到其他新型氣體傳感材料的制備。

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