介紹一款新型MXene化學電阻式氣體傳感器

高性能室溫新型傳感材料是氣體傳感領域的前沿研究課題之一。MXene是一類新興的二維（2D）過渡金屬碳化物/氮化物，通常通過選擇性蝕刻MAX相中的Al來合成。MXene由于其獨特的性質(zhì)，如表面官能團豐富、多功能性、優(yōu)異的溶解性、高金屬導電性和高比表面積，在包括氣體傳感器在內(nèi)的眾多應用中顯示出潛力。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，阿拉伯聯(lián)合酋長國大學（United Arab Emirates University）開發(fā)了一種由碳化釩（V2CTx）MXene衍生的海膽狀五氧化二釩（V2O5）混合材料（V2C/V2O5 MXene）制備的化學電阻式氣體傳感器，用于室溫下的氣體傳感應用。

所制備的傳感器在室溫下用作丙酮檢測的敏感材料時表現(xiàn)出良好的性能。此外，基于V2C/V2O5 MXene的傳感器對15 ppm丙酮的響應（S%?=?11.9%）高于原始的多層V2CTx MXene（S%?=?4.6%）。此外，該復合傳感器在室溫下表現(xiàn)出ppb級（250 ppb）的低檢測限，以及不同干擾氣體之間的高選擇性、快速的響應-恢復時間、振幅波動最小的良好再現(xiàn)性和優(yōu)異的長期穩(wěn)定性。

這些改進的傳感特性歸因于多層V2C MXenes中可能形成的氫鍵，新形成的海膽狀V2C/V2O5 MXene傳感器復合物的協(xié)同效應，以及V2O5和V2C MXene界面處的高電荷載流子傳輸。

在本研究中，V2CTx MXene通過水熱法合成。V2AlC MAX相材料的表面具有典型的致密顆粒，沒有層狀結構，且其表面存在著微小顆粒（1-10 μm）。在用LiF-HCl蝕刻劑進行水熱處理之后，形成了具有幾個或多個層的典型手風琴狀V2CTx MXene。

從V2AlC MAX相粉末合成手風琴狀V2CTx MXene的過程示意圖

所制備的V2CTx MXene材料在不同溫度下退火以產(chǎn)生MXene衍生的雜化結構。V2CTx MXene樣品在空氣中于300、350和450°C下煅燒，并將這些樣品分別命名為V2C-300、V2C-350和V2C-450。在450°C的退火溫度下，V2C-450 MXene材料的層狀結構轉(zhuǎn)變?yōu)榈湫偷暮Ｄ憼钗⒔Y構。許多刺狀的線和一些微棒連接在一起，形成海膽型或花型形態(tài)。

在不同溫度下煅燒的V2CTx MXene的SEM圖像：300°C（a）、350°C（b）、450°C（c），和在450°C空氣中退火的V2C MXene衍生的海膽狀V2O5結構的形成示意圖（d）。

研究人員評估了基于原始V2CTx MXene和海膽狀V2CTx/V2O5 MXene的兩種氣體傳感器裝置在室溫（23°C）下的丙酮傳感性能。與傳統(tǒng)的基于金屬氧化物的化學電阻器相比，MXene表現(xiàn)出正響應（電阻增加），這可能是由于其金屬特性。與原始V2CTx MXene相比，海膽狀V2CTx/V2O5 MXene傳感器的振幅顯著增加。當丙酮蒸汽濃度從0.25 ppm提高到15 ppm時，V2CTx MXene傳感器的響應值也增加。

V2CTx MXene傳感器對15 ppm丙酮蒸汽的響應為6.7%（S%），而海膽狀V2CTx/V2O5 MXene傳感器的響應為11.9%，對0.25 ppm檢測限的響應為4.76%。此外，V2CTx/V2O5 MXene傳感器在不同干擾氣體中表現(xiàn)出對丙酮的高選擇性，并具有快速的響應-恢復時間（115 s/180 s）、優(yōu)異的再現(xiàn)性和長期穩(wěn)定性（21天）。

基于原始V2CTx MXene和海膽狀V2CTx/V2O5 MXene的氣體傳感器在室溫（23°C）下的丙酮傳感性能。

總而言之，利用一步水熱合成技術在90°C下成功制備了手風琴狀V2CTx MXene。在450°C煅燒溫度下，多層V2CTx MXene部分轉(zhuǎn)變成海膽狀V2O5結構（V2CTx/V2O5 MXene）。研究了這兩種材料的形態(tài)、結構和表面特性，并評估了這兩種傳感器在室溫下檢測丙酮的效率。

V2CTx MXene的主要金屬特性反映在對丙酮的積極響應中。與原始V2CTx MXene傳感器相比，所制備的V2CTx MXene衍生的海膽狀V2CTx/V2O5 MXene混合傳感器在室溫下對15 ppm丙酮顯示出較高的響應（S%?=?11.9）。該氣體傳感器在室溫下表現(xiàn)出ppb級的低檢測限（250 ppb），并且具有高選擇性、長期穩(wěn)定性和良好的再現(xiàn)性。

審核編輯：劉清