MXene由于具有獨特的形態(tài)、優(yōu)異的比表面積和類似金屬的導(dǎo)電性，被認(rèn)為是極具潛力的氣體傳感材料。傳統(tǒng)的MXene基氣體傳感器主要依賴于MXene的導(dǎo)電性進行信號轉(zhuǎn)換。為了充分挖掘MXene在氣體檢測領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力，需要不斷探索其新的信號轉(zhuǎn)換機制。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，南達科塔州立大學(xué)（South Dakota State University）、福建工業(yè)大學(xué)等機構(gòu)的研究團隊成功開發(fā)了基于質(zhì)量轉(zhuǎn)換的MXene-MQTF氣體傳感器，該傳感器利用MXene作為選擇性受體，微型石英音叉（MQTF）作為換能器。通過將表面改性的Ti?C?Tx涂覆在MQTF的頂端作為識別層，研究人員展示了MXene-MQTF氣體傳感器用于檢測CO、SO?和NH?的高靈敏度和可調(diào)選擇性。相關(guān)研究成果以“Highly sensitive and reversible MXene-based micro quartz tuning fork gas sensors with tunable selectivity”為題發(fā)表在npj 2D Materials and Applications期刊上。

圖1 本研究提出的Mxene-MQTF氣體傳感器示意圖

MQTF是一種基于石英的壓電諧振器，通常在多種數(shù)字電子設(shè)備中用作于頻率測量單元。MQTF具備高品質(zhì)因數(shù)（Q）、低功耗、小尺寸、低成本以及諧振頻率穩(wěn)定等優(yōu)勢。MQTF傳感器的工作原理基于氣體分子在其傳感材料表面的吸附或解吸附作用引起的諧振頻率變化。因此，MQTF表面識別層的設(shè)計對于實現(xiàn)高性能氣體傳感至關(guān)重要。

在這項研究工作中，研究人員通過在Ti?C?Tx表面引入不同的化學(xué)基團，并將表面改性的Ti?C?Tx涂覆在MQTF的頂端作為識別層，開發(fā)出了能夠靈敏、選擇性且可逆地檢測CO、SO?和NH?的MXene-MQTF氣體傳感器。氣體分子與MXene的相互作用引起了質(zhì)量變化，從而導(dǎo)致MQTF發(fā)生諧振頻率變化。這種信號轉(zhuǎn)換機制消除了對MXene導(dǎo)電性的依賴，為MXene的化學(xué)改性提供了更多的可能性，同時也不必?fù)?dān)心化學(xué)改性可能對其導(dǎo)電性帶來的影響。

測試結(jié)果表明，與原始Ti?C?Tx相比，經(jīng)過表面改性處理的Ti?C?Tx氣敏性能顯著提升。具體而言，基于Ti?C?Tx-NH?的傳感器對SO?表現(xiàn)出較高的選擇性，基于Ti?C?Tx-F的傳感器對CO的響應(yīng)最強。這是因為Ti?C?Tx-NH?和Ti?C?Tx-F分別被-NH?和-F官能團覆蓋，這有助于提升其對特定氣體的選擇性。此外，在表面改性反應(yīng)中，通過提高材料制備溫度，在MXene中引入更多的表面化學(xué)基團，可以進一步提高MXene-MQTF氣體傳感器的靈敏度和選擇性。

圖2 MXene材料的制備和表征

圖3 室溫下基于Ti?C?Tx、Ti?C?Tx-NH?和Ti?C?Tx-F的MXene-MQTF傳感器的氣體響應(yīng)性能

圖4 室溫下基于Ti?C?Tx、Ti?C?Tx-NH?和Ti?C?Tx-F的MXene-MQTF傳感器對三種不同氣體的響應(yīng)性能

圖5 基于Ti?C?Tx-NH?的MXene-MQTF傳感器對SO?氣體的響應(yīng)性能

這項研究所提出的基于質(zhì)量轉(zhuǎn)換的MXene-MQTF氣體傳感器，不僅具有高傳感性能、可調(diào)選擇性，還具備成本效益。鑒于MQTF的小尺寸（幾毫米級別）和經(jīng)濟實惠的成本（低于1美元），加之簡單的傳感器制造工藝，未來有望將MXene-MQTF傳感器作為化學(xué)傳感單元無縫集成在智能設(shè)備中。這項研究為開發(fā)基于MXene的高性能化學(xué)傳感器奠定了基礎(chǔ)，并為其在空氣質(zhì)量監(jiān)測、可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)和機器人等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的可能性。

論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41699-024-00452-1

審核編輯：劉清