ACS Nano: MXene有机挥发气体传感器

纳米

2020-08-29

二维材料过渡金属碳化物（Ti₃C₂T_x MXene）因为其在气体传感领域中的应用前景受到了广泛关注，其在二维材料中的性能最优异，同时具有非常高的选择性。但是MXene材料长期存在的一个问题在于，其在潮湿环境中的水化与氧化过程导致稳定性较差，抑制了其长期储存和应用。在MXenes表面上负载一层保护层材料能克服该缺点，有鉴于此普渡大学Lia A. Stanciu等报道了对Ti₃C₂T_x界面修饰氟硅烷FOTS（fluoroalkylsilane），提供了一层超疏水界面结构的同时改善了机械/环境稳定性，同时改善了传感性能。

本文要点：

（1）

实验显示，FOTS-修饰的Ti₃C₂T_x材料组装成电阻型传感器含氧有机挥发性分子（乙醇、丙酮）展现了较高的灵敏度、重复测试性能、长期工作稳定性、更快的响应/恢复。通过对30 ppm乙醇在5~80 %相对湿度范围内测试，验证了该器件具有抗湿性作用。此外，这种修饰后的Ti₃C₂T_x材料具有酸、碱溶液稳定性。

（2）

DFT模拟计算结果显示，乙醇在Ti₃C₂T_x-F材料具有较强的乙醇吸附能，并且吸附作用引起局部的结构变形，并进一步提高了传感性能。

（3）

修饰合成方法。Ti₃AlC₂通过LiF、HCl混合溶液处理除去其中的Al组成部分，清洗干净得到黑色层状结构Ti₃C₂T_x MXene材料。随后将Ti₃C₂T_x分散在CPTMS的乙醇溶液、FOTS溶液中，修饰有机层。

（4）

本文研究结果为开发空气气氛/湿度稳定可靠的气体传感器件提供了方案、经验和范例。

参考文献

Winston Yenyu Chen, Sz-Nian Lai, Chao-Chun Yen, Xiaofan Jiang, Dimitrios Peroulis, and Lia A. Stanciu*

Surface Functionalization of Ti₃C₂T_x MXene with Highly Reliable Superhydrophobic Protection for Volatile Organic Compounds Sensing, ACS Nano 2020

DOI: 10.1021/acsnano.0c03896

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c03896