新型二維氣敏材料的研究進(jìn)展

高質(zhì)量、低成本、低功耗的氣體傳感器是檢測有毒、有害、易燃?xì)怏w的有力工具。除了檢測常見的NO2、H2S等污染性氣體之外，對于低濃度（ppm）氣體的檢測也尤為重要。因此，選擇優(yōu)質(zhì)材料，特別是性能優(yōu)異的納米材料非常重要。新型二維材料MXene由于優(yōu)異的導(dǎo)電性、良好的機(jī)械性能、可調(diào)的層間距、較大的比表面積和表面豐富的官能團(tuán)等特性引起人們的極大關(guān)注，而類石墨烯形態(tài)、高電導(dǎo)率、吸附性等特點(diǎn)使其在氣體傳感器領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，針對新型二維氣敏材料的研究進(jìn)展，上海理工大學(xué)的研究人員進(jìn)行了綜述分析，簡要介紹了金屬氧化物半導(dǎo)體材料，著重分析了新型二維材料MXene在氣體傳感方面的研究進(jìn)展，從而為新型氣敏材料的發(fā)展和應(yīng)用提供借鑒。相關(guān)研究內(nèi)容以“新型二維氣敏材料的研究進(jìn)展”為題發(fā)表在《陶瓷學(xué)報(bào)》期刊。

金屬氧化物半導(dǎo)體材料

以金屬氧化物為敏感材料制備的氣體傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用廣泛。常見的金屬氧化物材料有SnO2、ZnO、WO3、CuO、In2O3、Co3O4、TiO2以及復(fù)合材料等，已被用于檢測多種氣體。但是，金屬氧化物基氣體傳感器通常需要在高溫下進(jìn)行工作，這會導(dǎo)致納米材料結(jié)構(gòu)變化、能源消耗增大、器件成本增加和安全性能降低等問題。因此，開發(fā)可以室溫工作的二維材料逐漸成為了新型傳感器研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。此外，通過構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)、摻雜、金屬氧化物和二維納米材料的協(xié)同組合等措施，可有效提高氣敏傳感性能。因此，探索新型納米材料，設(shè)計(jì)在低溫或室溫下工作的傳感器，降低傳感器功耗、提高穩(wěn)定性、實(shí)現(xiàn)小型化和功能化是傳感器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)目標(biāo)。

圖1 金屬氧化物基氣體傳感器用于檢測多種氣體

新型二維材料MXene

二維材料，全稱為二維原子晶體材料，其主要特征是在一個(gè)維度上材料的尺寸能夠小到原子層的厚度，但在其他維度上，材料的尺寸又相對較大。MXene除了具有傳統(tǒng)二維材料（過渡金屬硫化物、黑磷、石墨烯等）的優(yōu)點(diǎn)（導(dǎo)電性好、機(jī)械性能好和比表面積大）外，還具有高親水性、大且可調(diào)的層間距、豐富的表面官能團(tuán)、獨(dú)特的表面化學(xué)性質(zhì)（易于表面官能化）、良好的生物相容性等優(yōu)良特性。常用的MXene制備方法有：（1）氫氟酸（HF）刻蝕法；（2）氟化物（LiF/NaF）輔助鹽酸蝕刻法；（3）氟化氫銨（NH4HF2）刻蝕法；（4）熔融氟鹽刻蝕法；（5）堿刻蝕法。

近些年來，基于MXene與金屬氧化物材料相結(jié)合的復(fù)合材料成為制備氣體傳感器的熱點(diǎn)。金屬氧化物與二維材料MXene在氣敏性能方面具有較大的差異，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)。金屬氧化物基氣體傳感器雖然響應(yīng)速度快、成本低和可量產(chǎn)，但是其工作溫度和能耗較高；而二維材料雖然能耗低，但是恢復(fù)速度慢。二者的結(jié)合為氣體傳感器的發(fā)展提供了新的思路。其原理是當(dāng)兩種材料結(jié)合在一起時(shí)，在彼此連接處會形成異質(zhì)結(jié)界面，而界面上的費(fèi)米能級會按照能級結(jié)構(gòu)來調(diào)整，直至界面處的電荷轉(zhuǎn)移過程結(jié)束。此外，形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)對于目標(biāo)氣體分子會十分敏感，氣體分子會被吸附到異質(zhì)結(jié)中，進(jìn)而提高傳感性能。

MXene材料的應(yīng)用

二維材料MXene最近在可穿戴技術(shù)方面發(fā)展十分迅速，在疾病預(yù)防、健康檢測等多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。根據(jù)傳感機(jī)制的不同，可以將可穿戴傳感器分為四類，即電阻式、電容式、壓電式、摩擦電式。其中，電阻式因其制造成本低和便于信號采集的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，如電子手表，可以用來實(shí)時(shí)、連續(xù)、非侵入性地跟蹤監(jiān)測人體各項(xiàng)生理指標(biāo)（呼吸、心率、體溫、血壓等），這類電子設(shè)備同時(shí)具備靈活性高、重量輕、耐用性好、對人體皮膚友好、機(jī)械穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

基于MXene的可穿戴氣體傳感器已有不少研究工作出現(xiàn)。Lee等人報(bào)道了一種可伸縮的濕法紡絲工藝制備無金屬粘結(jié)劑的MXene/GO雜化纖維。如圖2所示，這些混雜纖維表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械和電學(xué)性能，可用于柔性可穿戴氣體傳感器。2D混合材料的優(yōu)異特性有望為設(shè)計(jì)下一代便攜式可穿戴氣體傳感器提供新的途徑。

圖2 （a）MXene/GO混合纖維的紡絲過程示意圖；（b）從噴嘴到浴槽的MXene/GO凝膠纖維狀態(tài)照片；（c）纏繞的MXene/GO混合纖維的線軸長1.2 m；（d）照片顯示了MXene/GO纖維的柔韌性和彎曲性

Tang等人報(bào)道了一種可伸縮、可穿戴的MXene/聚氨酯（Polyurethane，PU）芯鞘纖維氣體傳感器，如圖3所示，有效解決了基于平面叉指電極（Interdigital Electrode，IE）的氣體傳感器不能拉伸、不適合與人體皮膚或衣服集成的問題。這項(xiàng)研究為利用微結(jié)構(gòu)工程定制氣體傳感器的傳感性能提供了參考。

圖3 （a）基于微結(jié)構(gòu)芯鞘光纖的無IE氣體傳感器及其表面形態(tài)的示意圖；（b）MXene/PU芯鞘纖維在松弛和拉伸狀態(tài)下的數(shù)字圖像；（c）扁平芯鞘纖維的SEM圖像；（d）芯鞘纖維的橫截面SEM圖像

呼出氣體中的VOC也可作為部分癌癥的生物標(biāo)志物，氣體傳感器可以很好的對疾病進(jìn)行預(yù)測。Ti3C2Tx/TiO2納米復(fù)合傳感器具有低功耗、制作工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)，在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測中具有廣闊的應(yīng)用前景。YAO等人通過在Ti3C2Tx-MXene的表面和層間引入具有大量氧空位和高催化活性的MnO2制備出納米復(fù)合材料，樣品制備及氣體測試過程如圖4所示。該工作闡明了基于MnO2/Ti3C2Tx復(fù)合材料的氣體傳感器的氣體傳感機(jī)制，為設(shè)計(jì)用于工業(yè)應(yīng)用的基于MXene的傳感器提供了新思路。與此同時(shí)，所制備的傳感器有望用于對肺癌進(jìn)行早期健康監(jiān)測。

圖4 MnO2/Ti3C2Tx納米復(fù)合材料的（a）制備方法和（b）氣體檢測裝置示意圖

總結(jié)與展望

MXene因其優(yōu)異的理化性質(zhì)、大的比表面積、表面豐富的官能團(tuán)等特點(diǎn)，逐漸成為新一代氣體傳感器的首選。基于MXene的復(fù)合材料在可穿戴設(shè)備方面顯示出許多優(yōu)點(diǎn)，但是仍存在諸多挑戰(zhàn)，如穩(wěn)定性問題、成本高、制備數(shù)量少等。若是低成本、大規(guī)模制備純MXene技術(shù)難題得以解決，將有效推動MXene在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。此外，探索如何制備形貌、結(jié)構(gòu)和表面官能團(tuán)可控的MXene材料至關(guān)重要，優(yōu)異的MXene材料將能夠有效改善傳感器的機(jī)械性能和傳感性能，推動其在下一代傳感設(shè)備中發(fā)揮更大的應(yīng)用潛力。

審核編輯：劉清