MXene由于具有独特的形态、优异的比表面积和类似金属的导电性，被认为是极具潜力的气体传感材料。传统的MXene基气体传感器主要依赖于MXene的导电性进行信号转换。为了充分挖掘MXene在气体检测领域中的应用潜力，需要不断探索其新的信号转换机制。
据麦姆斯咨询报道，近期，南达科塔州立大学（South Dakota State University）、福建工业大学等机构的研究团队成功开发了基于质量转换的MXene-MQTF气体传感器，该传感器利用MXene作为选择性受体，微型石英音叉（MQTF）作为换能器。通过将表面改性的Ti₃C₂Tx涂覆在MQTF的顶端作为识别层，研究人员展示了MXene-MQTF气体传感器用于检测CO、SO₂和NH₃的高灵敏度和可调选择性。相关研究成果以“Highly sensitive and reversible MXene-based micro quartz tuning fork gas sensors with tunable selectivity”为题发表在npj 2D Materials and Applications期刊上。
图1 本研究提出的Mxene-MQTF气体传感器示意图
MQTF是一种基于石英的压电谐振器，通常在多种数字电子设备中用作于频率测量单元。MQTF具备高品质因数（Q）、低功耗、小尺寸、低成本以及谐振频率稳定等优势。MQTF传感器的工作原理基于气体分子在其传感材料表面的吸附或解吸附作用引起的谐振频率变化。因此，MQTF表面识别层的设计对于实现高性能气体传感至关重要。
在这项研究工作中，研究人员通过在Ti₃C₂Tx表面引入不同的化学基团，并将表面改性的Ti₃C₂Tx涂覆在MQTF的顶端作为识别层，开发出了能够灵敏、选择性且可逆地检测CO、SO₂和NH₃的MXene-MQTF气体传感器。气体分子与MXene的相互作用引起了质量变化，从而导致MQTF发生谐振频率变化。这种信号转换机制消除了对MXene导电性的依赖，为MXene的化学改性提供了更多的可能性，同时也不必担心化学改性可能对其导电性带来的影响。
测试结果表明，与原始Ti₃C₂Tx相比，经过表面改性处理的Ti₃C₂Tx气敏性能显著提升。具体而言，基于Ti₃C₂Tx-NH₂的传感器对SO₂表现出较高的选择性，基于Ti₃C₂Tx-F的传感器对CO的响应最强。这是因为Ti₃C₂Tx-NH₂和Ti₃C₂Tx-F分别被-NH₂和-F官能团覆盖，这有助于提升其对特定气体的选择性。此外，在表面改性反应中，通过提高材料制备温度，在MXene中引入更多的表面化学基团，可以进一步提高MXene-MQTF气体传感器的灵敏度和选择性。
图2 MXene材料的制备和表征
图3 室温下基于Ti₃C₂Tx、Ti₃C₂Tx-NH₂和Ti₃C₂Tx-F的MXene-MQTF传感器的气体响应性能
图4 室温下基于Ti₃C₂Tx、Ti₃C₂Tx-NH₂和Ti₃C₂Tx-F的MXene-MQTF传感器对三种不同气体的响应性能
图5 基于Ti₃C₂Tx-NH₂的MXene-MQTF传感器对SO₂气体的响应性能
这项研究所提出的基于质量转换的MXene-MQTF气体传感器，不仅具有高传感性能、可调选择性，还具备成本效益。鉴于MQTF的小尺寸（几毫米级别）和经济实惠的成本（低于1美元），加之简单的传感器制造工艺，未来有望将MXene-MQTF传感器作为化学传感单元无缝集成在智能设备中。这项研究为开发基于MXene的高性能化学传感器奠定了基础，并为其在空气质量监测、可穿戴设备、物联网和机器人等领域的应用提供了新的可能性。
论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41699-024-00452-1
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