新型MXene化学电阻式气体传感器，在室温下对丙酮具有高选择性和ppb级的检测能力

原创 MEMS 2023-02-27 00:00

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高性能室温新型传感材料是气体传感领域的前沿研究课题之一。MXene是一类新兴的二维（2D）过渡金属碳化物/氮化物，通常通过选择性蚀刻MAX相中的Al来合成。MXene由于其独特的性质，如表面官能团丰富、多功能性、优异的溶解性、高金属导电性和高比表面积，在包括气体传感器在内的众多应用中显示出潜力。

据麦姆斯咨询报道，近日，阿拉伯联合酋长国大学（United Arab Emirates University）开发了一种由碳化钒（V2CTx）MXene衍生的海胆状五氧化二钒（V2O5）混合材料（V2C/V2O5 MXene）制备的化学电阻式气体传感器，用于室温下的气体传感应用。所制备的传感器在室温下用作丙酮检测的敏感材料时表现出良好的性能。此外，基于V2C/V2O5 MXene的传感器对15 ppm丙酮的响应（S% = 11.9%）高于原始的多层V2CTx MXene（S% = 4.6%）。此外，该复合传感器在室温下表现出ppb级（250 ppb）的低检测限，以及不同干扰气体之间的高选择性、快速的响应-恢复时间、振幅波动最小的良好再现性和优异的长期稳定性。这些改进的传感特性归因于多层V2C MXenes中可能形成的氢键，新形成的海胆状V2C/V2O5 MXene传感器复合物的协同效应，以及V2O5和V2C MXene界面处的高电荷载流子传输。

在本研究中，V2CTx MXene通过水热法合成。V2AlC MAX相材料的表面具有典型的致密颗粒，没有层状结构，且其表面存在着微小颗粒（1-10 μm）。在用LiF-HCl蚀刻剂进行水热处理之后，形成了具有几个或多个层的典型手风琴状V2CTx MXene。

从V2AlC MAX相粉末合成手风琴状V2CTx MXene的过程示意图

所制备的V2CTx MXene材料在不同温度下退火以产生MXene衍生的杂化结构。V2CTx MXene样品在空气中于300、350和450°C下煅烧，并将这些样品分别命名为V2C-300、V2C-350和V2C-450。在450°C的退火温度下，V2C-450 MXene材料的层状结构转变为典型的海胆状微结构。许多刺状的线和一些微棒连接在一起，形成海胆型或花型形态。

在不同温度下煅烧的V2CTx MXene的SEM图像：300°C（a）、350°C（b）、450°C（c），和在450°C空气中退火的V2C MXene衍生的海胆状V2O5结构的形成示意图（d）。

研究人员评估了基于原始V2CTx MXene和海胆状V2CTx/V2O5 MXene的两种气体传感器装置在室温（23°C）下的丙酮传感性能。与传统的基于金属氧化物的化学电阻器相比，MXene表现出正响应（电阻增加），这可能是由于其金属特性。与原始V2CTx MXene相比，海胆状V2CTx/V2O5 MXene传感器的振幅显著增加。当丙酮蒸汽浓度从0.25 ppm提高到15 ppm时，V2CTx MXene传感器的响应值也增加。V2CTx MXene传感器对15 ppm丙酮蒸汽的响应为6.7%（S%），而海胆状V2CTx/V2O5 MXene传感器的响应为11.9%，对0.25 ppm检测限的响应为4.76%。此外，V2CTx/V2O5 MXene传感器在不同干扰气体中表现出对丙酮的高选择性，并具有快速的响应-恢复时间（115 s/180 s）、优异的再现性和长期稳定性（21天）。

基于原始V2CTx MXene和海胆状V2CTx/V2O5 MXene的气体传感器在室温（23°C）下的丙酮传感性能。

总而言之，利用一步水热合成技术在90°C下成功制备了手风琴状V2CTx MXene。在450°C煅烧温度下，多层V2CTx MXene部分转变成海胆状V2O5结构（V2CTx/V2O5 MXene）。研究了这两种材料的形态、结构和表面特性，并评估了这两种传感器在室温下检测丙酮的效率。V2CTx MXene的主要金属特性反映在对丙酮的积极响应中。与原始V2CTx MXene传感器相比，所制备的V2CTx MXene衍生的海胆状V2CTx/V2O5 MXene混合传感器在室温下对15 ppm丙酮显示出较高的响应（S% = 11.9）。该气体传感器在室温下表现出ppb级的低检测限（250 ppb），并且具有高选择性、长期稳定性和良好的再现性。