研究速覽

■?近日，上海理工大學(xué)朱志剛教授，在國際知名期刊Chemical Engineering Journal上發(fā)表題為“Fabrication and Characterization of a MnO2/Ti3C2Tx?Based Gas Sensor for Highly Sensitive and Selective Detection of Lung Cancer Marker Hexanal”的研究論文。該論文在Ti3C2Tx-MXene的表面和層間引入了具有大量氧空位和高催化活性的MnO2。由于存在更多的活性中心和p-p異質(zhì)結(jié)，MnO2/Ti3C2Tx復(fù)合基氣體傳感器在低溫下對(duì)不同揮發(fā)性有機(jī)化合物的響應(yīng)比原始Ti3C2Tx基傳感器高10-20倍。此外，該傳感器對(duì)己醛（肺癌標(biāo)志物）有著獨(dú)特和更好的響應(yīng)，并且具有良好的再現(xiàn)性和穩(wěn)定性。該研究通過闡明MnO2/Ti3C2Tx復(fù)合基氣體傳感器的氣敏機(jī)理，為設(shè)計(jì)工業(yè)應(yīng)用的MXene基傳感器提供了新思路。

碩士生姚宇為本文的第一作者。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.139029

Part1

▉? 研究摘要? ▉

■?己醛被認(rèn)為是肺癌的合適生物標(biāo)志物，健康人呼出的空氣中幾乎不含己醛。因此，開發(fā)一種用于早期癌癥檢測的無創(chuàng)篩查技術(shù)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)；然而，很少有研究集中于己醛的檢測和評(píng)估。因此，為了實(shí)際應(yīng)用，迫切需要開發(fā)高靈敏度和選擇性的己醛氣體傳感器。MXene是一種二維（2D）納米材料，是一種可行的VOC檢測候選材料。不幸的是，即使對(duì)于被認(rèn)為具有優(yōu)異電性能的少層Ti3C2Tx-MXene，其氣體傳感器對(duì)一些常見氣體仍的靈敏度和穩(wěn)定性仍然較差，這嚴(yán)重阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。研究人員將MXene與金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）結(jié)合形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)以提升傳感性能，但仍然缺乏對(duì)MOSs/MXene基氣體傳感器綜合性能的系統(tǒng)研究。

■?鑒于此，上海理工大學(xué)朱志剛教授課題組報(bào)道了一種簡單的高溫?zé)崽幚矸椒▉砗铣蒑nO2/MXene基納米復(fù)合材料氣體傳感器。首次在低溫區(qū)間（25-150℃）內(nèi)討論了MXene基氣體傳感器的氣敏性能。p-p異質(zhì)結(jié)的產(chǎn)生顯著增強(qiáng)了納米復(fù)合材料在低溫下對(duì)不同VOC的響應(yīng)，并提供了對(duì)己醛的獨(dú)特和更好的響應(yīng)。

Part2

▉? 研究要點(diǎn)1? ▉

■?作者通過一種簡單的高溫?zé)崽幚矸椒▉砗铣蒑nO2/MXene基納米復(fù)合材料。多層MXene被強(qiáng)氧化劑KMnO4官能化，其在水熱過程中抑制了MXene氧化為TiO2，MXene的層狀形態(tài)得到了很好的保持，這些MnO2納米球的平均直徑約為300-400 nm，它們緊密且均勻地負(fù)載在表面和MXene層之間。同時(shí)，MXene的層間距減小，層變得更厚和更粗糙。此外，不同Mn2+含量的MnO2/Ti3C2Tx復(fù)合材料表現(xiàn)出不同的形態(tài)。

▉? 研究要點(diǎn)2? ▉

■?作者研究了多層Ti3C2Tx、MnO2納米球和MnO2/Ti3C2Tx復(fù)合基傳感器在低工作溫度（25 °C–150 °C）下對(duì)己醛的響應(yīng)。在100 °C下，MnO2/Ti3C2Tx納米復(fù)合材料基氣體傳感器表現(xiàn)出最佳性能，具有完整的響應(yīng)恢復(fù)過程，并且該氣體傳感器展現(xiàn)出了良好的氣體傳感綜合性能。

▉? 研究要點(diǎn)3? ▉

■?在這項(xiàng)工作中，作者通過采用Ti3C2Tx作為襯底并將MnO2（活性中心）均勻負(fù)載在MXene表面，制備了MnO2/Ti3C2Tx納米復(fù)合材料。MnO2/Ti3C2Tx納米復(fù)合材料傳感器對(duì)己醛的氣敏性能改善可歸因于兩個(gè)因素：

（1）MnO2和Ti3C2Tx形成異質(zhì)結(jié)界面，它們的協(xié)同效應(yīng)促進(jìn)了載流子的分離和傳輸，改善了己醛氣體分子和載流子擴(kuò)散。

（2） 高度缺氧的MnO2和富含缺陷的Ti3C2Tx表面為氣體反應(yīng)提供了更多的反應(yīng)中心，并改善了傳感性能。

Part3

▉? 研究總結(jié)? ▉

■?作者通過將小尺寸MnO2納米片均勻負(fù)載在多層MXene上，成功制備了基于多層Ti3C2Tx的納米復(fù)合材料?；贛nO2/Ti3C2Tx納米復(fù)合材料的傳感器對(duì)于己醛的靈敏度顯著優(yōu)于純Ti3C2Tx和MnO2。優(yōu)化后的傳感器響應(yīng)為52%，響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間分別為134秒和381秒。MnO2由于其高缺氧性和對(duì)己醛分子的優(yōu)先反應(yīng)性而被視為傳感機(jī)制模型中的活性中心。此外，在MnO2和Ti3C2Tx的接觸界面處產(chǎn)生p-p異質(zhì)結(jié)提高了MnO2/Ti3C2Tx的傳感性能。具有高催化活性的MnO2和Ti3C2Tx可能是MnO2/Ti3C2Tx復(fù)合基傳感器獨(dú)特選擇性的主要原因。在未來的研究中，這一假設(shè)將通過觀察其他活動(dòng)中心的敏感性和選擇性進(jìn)一步完善。