新型二维气敏材料的研究进展

高质量、低成本、低功耗的气体传感器是检测有毒、有害、易燃气体的有力工具。除了检测常见的NO2、H2S等污染性气体之外，对于低浓度（ppm）气体的检测也尤为重要。因此，选择优质材料，特别是性能优异的纳米材料非常重要。新型二维材料MXene由于优异的导电性、良好的机械性能、可调的层间距、较大的比表面积和表面丰富的官能团等特性引起人们的极大关注，而类石墨烯形态、高电导率、吸附性等特点使其在气体传感器领域具有巨大应用潜力。

据麦姆斯咨询报道，针对新型二维气敏材料的研究进展，上海理工大学的研究人员进行了综述分析，简要介绍了金属氧化物半导体材料，着重分析了新型二维材料MXene在气体传感方面的研究进展，从而为新型气敏材料的发展和应用提供借鉴。相关研究内容以“新型二维气敏材料的研究进展”为题发表在《陶瓷学报》期刊。

金属氧化物半导体材料

以金属氧化物为敏感材料制备的气体传感器具有灵敏度高、响应速度快、稳定性好、成本低等优点，其应用广泛。常见的金属氧化物材料有SnO2、ZnO、WO3、CuO、In2O3、Co3O4、TiO2以及复合材料等，已被用于检测多种气体。但是，金属氧化物基气体传感器通常需要在高温下进行工作，这会导致纳米材料结构变化、能源消耗增大、器件成本增加和安全性能降低等问题。因此，开发可以室温工作的二维材料逐渐成为了新型传感器研究的热点领域。此外，通过构建异质结构、掺杂、金属氧化物和二维纳米材料的协同组合等措施，可有效提高气敏传感性能。因此，探索新型纳米材料，设计在低温或室温下工作的传感器，降低传感器功耗、提高稳定性、实现小型化和功能化是传感器设计的重点目标。

图1 金属氧化物基气体传感器用于检测多种气体

新型二维材料MXene

二维材料，全称为二维原子晶体材料，其主要特征是在一个维度上材料的尺寸能够小到原子层的厚度，但在其他维度上，材料的尺寸又相对较大。MXene除了具有传统二维材料（过渡金属硫化物、黑磷、石墨烯等）的优点（导电性好、机械性能好和比表面积大）外，还具有高亲水性、大且可调的层间距、丰富的表面官能团、独特的表面化学性质（易于表面官能化）、良好的生物相容性等优良特性。常用的MXene制备方法有：（1）氢氟酸（HF）刻蚀法；（2）氟化物（LiF/NaF）辅助盐酸蚀刻法；（3）氟化氢铵（NH4HF2）刻蚀法；（4）熔融氟盐刻蚀法；（5）碱刻蚀法。

近些年来，基于MXene与金属氧化物材料相结合的复合材料成为制备气体传感器的热点。金属氧化物与二维材料MXene在气敏性能方面具有较大的差异，两者各有优缺点。金属氧化物基气体传感器虽然响应速度快、成本低和可量产，但是其工作温度和能耗较高；而二维材料虽然能耗低，但是恢复速度慢。二者的结合为气体传感器的发展提供了新的思路。其原理是当两种材料结合在一起时，在彼此连接处会形成异质结界面，而界面上的费米能级会按照能级结构来调整，直至界面处的电荷转移过程结束。此外，形成的异质结构对于目标气体分子会十分敏感，气体分子会被吸附到异质结中，进而提高传感性能。

MXene材料的应用

二维材料MXene最近在可穿戴技术方面发展十分迅速，在疾病预防、健康检测等多个领域应用广泛。根据传感机制的不同，可以将可穿戴传感器分为四类，即电阻式、电容式、压电式、摩擦电式。其中，电阻式因其制造成本低和便于信号采集的优点被广泛应用，如电子手表，可以用来实时、连续、非侵入性地跟踪监测人体各项生理指标（呼吸、心率、体温、血压等），这类电子设备同时具备灵活性高、重量轻、耐用性好、对人体皮肤友好、机械稳定性好等优点。

基于MXene的可穿戴气体传感器已有不少研究工作出现。Lee等人报道了一种可伸缩的湿法纺丝工艺制备无金属粘结剂的MXene/GO杂化纤维。如图2所示，这些混杂纤维表现出优异的机械和电学性能，可用于柔性可穿戴气体传感器。2D混合材料的优异特性有望为设计下一代便携式可穿戴气体传感器提供新的途径。

图2 （a）MXene/GO混合纤维的纺丝过程示意图；（b）从喷嘴到浴槽的MXene/GO凝胶纤维状态照片；（c）缠绕的MXene/GO混合纤维的线轴长1.2 m；（d）照片显示了MXene/GO纤维的柔韧性和弯曲性

Tang等人报道了一种可伸缩、可穿戴的MXene/聚氨酯（Polyurethane，PU）芯鞘纤维气体传感器，如图3所示，有效解决了基于平面叉指电极（Interdigital Electrode，IE）的气体传感器不能拉伸、不适合与人体皮肤或衣服集成的问题。这项研究为利用微结构工程定制气体传感器的传感性能提供了参考。

图3 （a）基于微结构芯鞘光纤的无IE气体传感器及其表面形态的示意图；（b）MXene/PU芯鞘纤维在松弛和拉伸状态下的数字图像；（c）扁平芯鞘纤维的SEM图像；（d）芯鞘纤维的横截面SEM图像

呼出气体中的VOC也可作为部分癌症的生物标志物，气体传感器可以很好的对疾病进行预测。Ti3C2Tx/TiO2纳米复合传感器具有低功耗、制作工艺简单等优点，在物联网环境监测中具有广阔的应用前景。YAO等人通过在Ti3C2Tx-MXene的表面和层间引入具有大量氧空位和高催化活性的MnO2制备出纳米复合材料，样品制备及气体测试过程如图4所示。该工作阐明了基于MnO2/Ti3C2Tx复合材料的气体传感器的气体传感机制，为设计用于工业应用的基于MXene的传感器提供了新思路。与此同时，所制备的传感器有望用于对肺癌进行早期健康监测。

图4 MnO2/Ti3C2Tx纳米复合材料的（a）制备方法和（b）气体检测装置示意图

总结与展望

MXene因其优异的理化性质、大的比表面积、表面丰富的官能团等特点，逐渐成为新一代气体传感器的首选。基于MXene的复合材料在可穿戴设备方面显示出许多优点，但是仍存在诸多挑战，如稳定性问题、成本高、制备数量少等。若是低成本、大规模制备纯MXene技术难题得以解决，将有效推动MXene在各个领域的应用。此外，探索如何制备形貌、结构和表面官能团可控的MXene材料至关重要，优异的MXene材料将能够有效改善传感器的机械性能和传感性能，推动其在下一代传感设备中发挥更大的应用潜力。

审核编辑：刘清