Advanced Functional Materials封面論文：邊緣富集的Mo2TiC2Tx/MoS2異質結構用于NO2氣體高選擇檢測

01 導讀

過渡金屬碳/氮化物（MXene）二維材料自2011年發現以來，由于獨特的層狀結構、可調節的導電性與豐富的端基，在各個領域備受關注。碳化鈦（Ti₃C₂T_x）作為典型的MXene材料，因其優異的導電性、高產量和易刻蝕，在傳感器技術領域被廣泛報道。然而，研究表明Ti₃C₂T_x基氣體傳感器不僅對NH₃、NO₂等無機氣體敏感，而且對揮發性有機化合物（VOCs）敏感。氣體之間的交叉干擾可導致傳感器的錯誤識別和量化。同時，先前的理論計算表明Ti₃C₂T_x?對NH₃、NO₂等氣體具有較小的吸附能。因此，針對有毒有害NO₂氣體，在種類豐富的MXene族中開發一種高選擇、高靈敏的MXene材料仍是一個挑戰。

02 成果掠影

近日，電子科技大學太惠玲教授和中南大學歐陽方平教授等人報道了一種用于NO₂檢測的具有邊緣富集異質結構的Mo₂TiC₂T_x/MoS₂。DFT理論計算表明雙金屬MXene材料Mo₂TiC₂T_x對NO₂氣體分子表現出超強的吸附特性，吸附能可達?3.12 eV。通過界面調制將其與MoS₂耦合形成邊緣富集的異質結構。得益于復合材料的強吸附、豐富吸附位點與異質界面的協同作用，制備的氣體傳感器對NO₂氣體表現出高靈敏與高選擇。進一步地，搭建了基于Mo₂TiC₂T_x/MoS₂氣體傳感器的便攜式無線NO₂監測系統，可用于氣體泄漏搜索和危險報警。相關研究成果以題為“Edge‐Enriched Mo₂TiC₂T_x/MoS₂?Heterostructure with Coupling Interface for Selectively NO₂?Monitoring”發表于Advanced Functional Materials，并被選為封面論文。

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03 核心創新點

結合Mo₂TiC₂T_x的強吸附與 MoS₂的邊緣富集結構，提出了一種具有耦合界面Mo₂TiC₂T_x/MoS₂異質結構以開發高選擇、高靈敏的 NO₂?氣體傳感器。

04 數據概覽

圖1（a）Mo₂TiC₂T_x/MoS₂復合材料合成示意圖。（b）氣體傳感組件。

圖2（a-c）Mo₂TiC₂T_x的SEM、TEM與HRTEM圖像。（d-e）MoS₂的SEM與HRTEM圖像。（f-j）Mo₂TiC₂T_x/MoS₂復合材料的SEM、TEM、HRTEMs圖像，SAED衍射圖與TEM元素映射圖像。

圖3 （a）Mo₂TiAlC₂、Mo₂TiC₂T_x、MoS₂和復合材料的XRD圖譜。（b-c）?Mo₂TiC₂T_x、MoS₂和復合材料的拉曼光譜與FTIR光譜。（d）Mo₂TiC₂T_x和Mo₂TiC₂T_x/MoS₂復合材料的Ti 2p的 HRXPS光譜。（e-f）Mo₂TiC₂T_x、MoS₂與Mo₂TiC₂T_x/MoS₂復合材料的C 1s與Mo 3d的 HRXPS光譜。

圖4（a）Mo₂TiC₂T_x、MoS₂、Mo₂TiC₂T_x/MoS₂基氣體傳感器對2–50 ppm NO₂的電阻響應曲線。（b）Mo₂TiC₂T_x/MoS₂傳感器對200–1000 ppb NO₂的電阻響應曲線。（c）線性擬合曲線。（d）傳感器對2.5 ppb NO₂的電阻響應曲線。（e）傳感器對10 ppm和50 ppm NO₂的重復性曲線。（f）傳感器在10 ppm和50 ppm NO₂下的響應/恢復時間。（g）放大的響應曲線。（h）濕度對10 ppm NO₂氣體響應的影響。（i）穩定性測試曲線。

圖5（a）Mo₂TiC₂T_x、MoS₂和Mo₂TiC₂T_x/MoS₂基傳感器對多種氣體的選擇性響應。（b）Mo₂TiC₂T_x與MoS₂對多種氣體的吸附能。（c）復合材料對多種氣體的吸附能。（d-f）Mo₂TiC₂T_x，MoS₂與Mo₂TiC₂T_x/MoS₂復合材料對NO₂分子吸附模型的俯視圖和側視圖。

圖6.?敏感機理示意圖。

圖7（a）無線傳感系統原理圖。（b）無線傳感系統對5、10、50 ppm NO₂的反饋結果。（c）遙控車裝載測試電路、氣體傳感器與電池的光學照片。（d）無線傳感系統在有害氣體監測中的應用示意圖。（e-g）用于氣體泄漏報警的光學照片。

05 成果總結

綜上所述，研究人員提出了一種對?NO₂氣體分子具有超強表面吸附的高活性Mo₂TiC₂T_x，并通過界面調制進一步與MoS₂耦合，以構建邊緣富集的異質結構。得益于Mo₂TiC₂T_x/MoS₂復合材料的強吸附、豐富吸附位點和耦合界面的協同作用，制備的氣體傳感器對NO₂具有高選擇性，并通過密度泛函理論計算證實。同時，該傳感器在室溫下表現出高靈敏度、超低檢測限與優異的可逆性。最后，搭建了便攜式無線NO₂監測系統，用于氣體泄漏搜索和危險報警。這項工作拓展了雙金屬MXene的氣體傳感應用，并為環境監測和安全保障中無線傳感系統的發展提供了一條途徑。

原文詳情

Zhao, Qiuni, Wenzhe Zhou, Mingxiang Zhang, Yang Wang, Zaihua Duan, Chaoliang Tan, Bohao Liu, Fangping Ouyang*, Zhen Yuan*, Huiling Tai*, Yadong Jiang (2022). Edge‐Enriched Mo₂TiC₂T_x/MoS₂?Heterostructure with Coupling Interface for Selectively NO₂?Monitoring. Advanced Functional Materials, 2203528. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202203528?