TOP 顶刊《AFM》丨 气体监测领域一枝独秀！MXene异质结传感器稳定在线

过渡金属碳化物/氮化物（MXenes）具有丰富的端基、良好的导电性和可控的结构，在气体传感器中的潜在应用引起了广泛的关注，但MXenes（以碳化钛为代表）长期面临的挑战是其选择性和灵敏度有限。本文提出了一种对 NO2 气体分子具有超强表面吸附（-3.12 eV）的高活性双过渡金属碳化钛钼（Mo2TiC2TX），并通过界面调制进一步与二硫化钼（MoS2）耦合，构建了边缘富集的纳米结构异质结构。由于Mo2TiC2Tx/MoS2复合材料强吸附、丰富的吸附位点和耦合界面的协同作用，所制备的Mo2TiC2Tx/MoS2气体传感器对NO2表现出出色的响应，对各种干扰气体具有高选择性，这得到了很好的支持密度泛函理论计算。同时，该传感器的灵敏度为 7.36% ppm−1，检测限为 2.5 ppb，室温下的可逆性。演示了一种基于 Mo2TiC2TX/MoS2 气体传感器的便携式无线 NO2 监测系统，用于气体泄漏搜索和危险警告。这项工作促进了MXenes气体传感的应用，并为环境监测和安全保障领域无线传感系统的发展提供了途径。

创新点

1. 首次提出并验证了双过渡金属MXene(Mo2TiC2Tx)对NO2气体具有超强的吸附能力,拓展了MXene在气体传感领域的应用。

2. 构建Mo2TiC2Tx和MoS2的边缘富集异质结构复合材料,增强了界面效应,提高了气体响应性能。

3. Mo2TiC2Tx/MoS2复合材料制成的传感器实现了对NO2气体的高选择性检测,解决了MXene材料选择性差的问题。

4. 复合材料传感器实现了ppb级的NO2检测限,大大提高了检测灵敏度。

5. 提出了异质结桥接效应机制解释复合材料性能提升的原因。

6. 构建了无线气体监测系统,实现了气体检测的可移动化和便携化。

7. 为环境监测提供了高选择性、高灵敏度的气体传感解决方案。

总体来说,该研究在气体传感材料设计和性能优化方面进行了创新,拓展了MXene的应用领域,提出了高性能的气体检测方案。

图文参考

图1. a)Mo2tic2Tx/MoS2复合材料的合成示意图 b)气体传感器的原理图

图2. a)SEM b)TEM c)Mo2TiC2Tx的HRTEM图像 d)SEM和 e)二硫化钼的HRTEM图像 f)SEM g)TEM h)Mo2TiC2Tx/MoS2复合材料的HRTEM图像 i)SAED模式和j)Mo2TiC2Tx/MoS2复合材料的TEM元素作图图像

图3. a)XRD图谱b)复合材料的拉曼光谱和FTIR光谱 d)复合材料的Ti2p HRXPS光谱 e)复合材料的Mo3d HRXPS光谱

图4. a)气体传感器的实时电阻变化曲线 b)电阻响应曲线 c)三个气体传感器的线性拟合曲线。d)电阻响应曲线 e)气体传感器二氧化氮的重复性曲线 f)气体传感器二氧化氮下的响应/回收时间 g)放大后的响应曲线 h)气体传感器二氧化氮的响应

图5. a)传感器对各种气体的选择性响应 b)对各种气体的吸附能 c)复合材料对各种气体的吸附能 d) Mo2TiC2Tx、e)构型顶部和侧视图

图6. a)Mo2tic2Tx/MoS2复合材料的传感机理示意图 b)复合材料吸附二氧化氮的吸附示意图，以及空气和二氧化氮气体中异质结的能带图

图7. a)无线传感系统原理图 b)5、10、50 ppm二氧化氮下无线传感系统的反馈结果 c)遥控车装载了测试电路、气体传感器和电池的照片 d)无线传感系统在有害气体监测中的应用图

总结

研究团队提出了一种新型的双过渡金属碳化物材料Mo2TiC2Tx,通过理论计算发现它对NO2气体具有超强的吸附能力(-3.12 eV)。将Mo2TiC2Tx与MoS2薄片共同构建成边缘富集的异质结构复合材料,可以增加气体吸附位点,改善界面载流子传输。

Mo2TiC2Tx/MoS2复合材料制成的气体传感器显示出极高的NO2选择性、灵敏度(7.36% ppm-1)和超低检测限(2.5 ppb),以及良好的可逆性。异质结形成的桥接效应是复合材料气敏性能提升的机理。利用该传感器搭建的无线气体检测系统,可用于环境监测和安全预警。

这项工作拓展了双过渡金属MXene在气体传感领域的应用,为环境监测提供了新的气体检测途径。