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【研究背景】

隨著對(duì)有毒污染物、有機(jī)蒸氣等氣體種類檢測(cè)需求的不斷增加，具有高選擇性和高靈敏度的氣體傳感器的開(kāi)發(fā)受到了廣泛的關(guān)注。在眾多的傳感材料中，二維材料因其高的表面體積比、優(yōu)異的表面可調(diào)性和在室溫下的高效率而被認(rèn)為是很有前途的材料?；陔姾赊D(zhuǎn)移傳感機(jī)制，二維材料如石墨烯、過(guò)渡金屬二硫化物(TMDs)和磷烯被用作探測(cè)有毒氣體和有機(jī)化合物的傳感器通道。然而，盡管具有這些優(yōu)點(diǎn)，二維材料的靈敏度、選擇性和恢復(fù)時(shí)間仍有待提高。近年來(lái)，基于金屬二維碳化鈦(Ti3C2Tx) MXene薄膜的氣體傳感器表現(xiàn)出了突出的靈敏度和非常高的信噪比，克服了以往的局限性。Ti3C2Tx?MXene傳感器顯示，對(duì)丙酮和氨等氣體的ppb級(jí)檢測(cè)，超過(guò)了現(xiàn)有二維材料氣體傳感器的最高靈敏度。有趣的是，Ti3C2TxMXene氣體傳感器對(duì)揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)的響應(yīng)高于NO2等氧化性氣體，這表明該傳感器具有很高的選擇性和超高的靈敏度。為了充分利用這些高靈敏的金屬M(fèi)Xene傳感通道的潛力，了解它們的氣體傳感機(jī)制對(duì)于制造對(duì)目標(biāo)氣體分子具有高選擇性的最佳傳感器至關(guān)重要。

【成果簡(jiǎn)介】

最近，德雷塞爾大學(xué)Yury Gogotsi教授和韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院Hee-Tae Jung教授在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊ACS Sensors上發(fā)表一篇題目為：Enhanced Selectivity of MXene Gas Sensors through Metal Ion Intercalation:In Situ X?ray Diffraction Study的研究論文，文中利用原位x射線衍射(XRD)方法研究了Ti3C2TxMXene薄膜化學(xué)電阻在氣體和蒸汽引入時(shí)的層間溶脹行為。通過(guò)比較Ti3C2Tx傳感器無(wú)響應(yīng)和響應(yīng)氣體時(shí)，層間距離的實(shí)時(shí)(原位)變化，研究了層間溶脹對(duì)氣體傳感行為的可能影響。此外，文中通過(guò)層間金屬離子插入來(lái)控制分子插入行為來(lái)控制氣體的選擇性。而且，從基本的觀點(diǎn)來(lái)看，MXenes是研究層間溶脹對(duì)電導(dǎo)率變化影響的最佳材料之一，因?yàn)樗哂懈唠妼?dǎo)率和高插層能力的獨(dú)特組合。希望這項(xiàng)工作能夠?qū)斫舛S金屬基化學(xué)電阻的傳感機(jī)理以及設(shè)計(jì)高選擇性的MXene傳感器有所幫助。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1.?轉(zhuǎn)移到SiO2/Si圓片上的50nm Ti3C2Tx薄膜的形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征。

圖2.?氣體引入時(shí)，Ti3C2Tx薄膜(從0.3 mM NaOH溶液中轉(zhuǎn)移的)的原位XRD測(cè)量。

圖3.?不同濃度NaOH對(duì)Ti3C2Tx薄膜的溶脹行為的影響。

圖4.?NaOH處理的Ti3C2Tx傳感器在室溫下的氣體傳感性能。

【本文總結(jié)】

? ? ?本文通過(guò)原位XRD測(cè)試，研究了Ti3C2TxMXene引入氣體后的層間距變化。將用于氣體傳感實(shí)驗(yàn)的N2和目標(biāo)氣體/蒸氣依次引入XRD室中的Ti3C2TxMXene薄膜中，研究薄膜膨脹行為與氣體傳感器響應(yīng)的關(guān)系。在測(cè)量過(guò)程中，當(dāng)加入乙醇蒸汽時(shí)，Ti3C2TxMXene膜會(huì)選擇性膨脹，而加入CO2后則沒(méi)有膨脹現(xiàn)象。結(jié)果表明，插層鈉離子的濃度是測(cè)定乙醇蒸汽引入后溶脹程度的關(guān)鍵。溶脹程度與氣體反應(yīng)強(qiáng)度一致，0.3 mM NaOH處理的Ti3C2TxMXene膜的溶脹程度最大，對(duì)乙醇的反應(yīng)最高。因此，將預(yù)插層作為優(yōu)化氣敏性能的途徑十分重要。本研究有助于理解MXenes的氣體傳感機(jī)制，并為氣體或蒸汽分子與MXenes的相互作用提供了見(jiàn)解，這對(duì)吸附劑、分離膜和其他應(yīng)用也很重要。

文獻(xiàn)鏈接：

https://doi.org/10.1021/acssensors.9b00310.

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