武漢科技大學王玉華團隊Small：MXenes材料在氣體傳感領域所面臨的機遇和挑戰

【導讀】?

對有毒、有害、爆炸性和揮發性氣體的檢測不能從氣體傳感器中分離出來，氣體傳感器也被用于監測溫室效應和空氣污染。然而，現有的氣體傳感器仍然存在許多缺點，如靈敏度低、選擇性低、室溫檢測不穩定等。因此，迫切需要尋找更合適的傳感材料。一種新的二維層狀材料MXenes的出現為解決這個問題帶來了曙光。MXenes具有比表面積高、末端官能團豐富、親水性好、導電性好等優點，使其成為最高產的氣感材料之一。

?【成果掠影】

因此，本文綜述了目前MXenes材料的主要合成方法，并重點總結和整理了MXenes在氣敏傳感應用中的最新研究成果。并介紹了MXenes材料對氨、二氧化氮、甲基和揮發性有機化合物（揮發性有機物）可能的氣體傳感機理。總之，它提供了對MXenes材料在氣體傳感領域所面臨的問題和即將到來的挑戰的見解。

【數據概覽】

圖1? 氣體傳感應用的各種材料（層狀雙氫氧化物、氮化硼、過渡金屬雙鹵化物、石墨烯和MXenes）的主要研究代表性工作。

圖2? MXenes性能樹，具有快速的電荷轉移通道（電導率）、豐富的端效應基團（羥基和氧基帶來良好的親水性）、機械靈活性、導熱系數和電磁吸收屏蔽效應。

圖3? MXene等復合材料的制備方法及應用領域。

圖4? a) 通過從MAX相和相關的層狀化合物中去除a層來生產MXenes的兩種方法的示意圖。用溶液蝕刻法合成的MXene示意圖：b) Ti MXene；c) V-MXene。 V₂AlC₂ MAX相與HF生產V₂CT_x MXene。通過HF蝕刻合成MXenes的過程: d) MAX相（Mn+1AXn）層狀結構，e) 剝離原子層產生弱結合的MXenes多層，f) 通過分層形成單層或幾層的MXenes。

圖5 ?純MXene和自修飾應用于氣體傳感器。

圖6? a) Ti₃C₂T_X的合成工藝圖。b) 100 ppm丙酮和c)在室溫下（25°C）的100 ppm的Ti₃C₂T_x基裝置的氣體傳感性能。d) Ti₃AlC₂使用不同的碳源（TiC、石墨和碳油煙）合成，然后使用Ti₃C₂T_x MXene。e) 使用不同碳源生產的MXene薄膜的XRD模式，顯示薄膜質量存在顯著差異。f) 用不同MAX前驅體制備的Ti₃C₂T_x的氣體傳感性能。這三種麥克己烯對乙醇、丙酮和氨表現出不同的敏感性。g) 不同氣體分子吸附在Ti₃C₂O₂表面的最穩定的構型。h) Ti₃C₂T_x MXene氣體傳感器，吸收氨。i) Ti₃C₂ MXene傳感器在甲烷、硫化氫、水、乙醇、丙酮、500 ppm、乙醇、甲醇、丙酮、氨和NO室溫（25°C）下的氣傳感測量。j) 用于制造超薄（納米級）MXene薄膜的界面自組裝方法圖。k) 各類型薄膜與測試氣體相關的氣體響應

圖7.? 基于MXenes的氣體傳感技術未來的四個重要發展方向。

【成果啟示】

用MXenes作為傳感材料制備的氣體傳感器具有高靈敏度和超低的揮發性有機物、氨、濕度等氣體檢測限，為氣體和濕度的識別和診斷提供參考技術支持，以及環境和健康等多個領域的先進檢測解決方案。此外，基于MXenes的氣體傳感器具有低噪聲、可在室溫下工作、尺寸小、易于集成到可穿戴納米電子設備中，彌補了傳統氣體傳感器的缺點。近年來，研究人員通過半導體重組和酸堿處理等方法，在提高MXene的單一選擇性和穩定性方面取得了一定的進展。

武漢科技大學博士生王一彤為第一作者，王玉華教授為通訊作者。

原文詳情： Yitong Wang, Yuhua Wang,* Yanbing Kuai, and Min Jian. “Visualization” Gas—Gas Sensors Based on High Performance Novel MXenes Materials[J]. Small, 2023, 2305250.

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202305250

本文由作者供稿