高性能室溫新型傳感材料是氣體傳感領域的前沿研究課題之一。MXene是一類新興的二維（2D）過渡金屬碳化物/氮化物，通常通過選擇性蝕刻MAX相中的Al來合成。MXene由于其獨特的性質，如表面官能團豐富、多功能性、優異的溶解性、高金屬導電性和高比表面積，在包括氣體傳感器在內的眾多應用中顯示出潛力。

據麥姆斯咨詢報道，近日，阿拉伯聯合酋長國大學（United Arab Emirates University）開發了一種由碳化釩（V2CTx）MXene衍生的海膽狀五氧化二釩（V2O5）混合材料（V2C/V2O5 MXene）制備的化學電阻式氣體傳感器，用于室溫下的氣體傳感應用。

所制備的傳感器在室溫下用作丙酮檢測的敏感材料時表現出良好的性能。此外，基于V2C/V2O5 MXene的傳感器對15 ppm丙酮的響應（S%?=?11.9%）高于原始的多層V2CTx MXene（S%?=?4.6%）。此外，該復合傳感器在室溫下表現出ppb級（250 ppb）的低檢測限，以及不同干擾氣體之間的高選擇性、快速的響應-恢復時間、振幅波動最小的良好再現性和優異的長期穩定性。

這些改進的傳感特性歸因于多層V2C MXenes中可能形成的氫鍵，新形成的海膽狀V2C/V2O5 MXene傳感器復合物的協同效應，以及V2O5和V2C MXene界面處的高電荷載流子傳輸。

在本研究中，V2CTx MXene通過水熱法合成。V2AlC MAX相材料的表面具有典型的致密顆粒，沒有層狀結構，且其表面存在著微小顆粒（1-10 μm）。在用LiF-HCl蝕刻劑進行水熱處理之后，形成了具有幾個或多個層的典型手風琴狀V2CTx MXene。

從V2AlC MAX相粉末合成手風琴狀V2CTx MXene的過程示意圖

所制備的V2CTx MXene材料在不同溫度下退火以產生MXene衍生的雜化結構。V2CTx MXene樣品在空氣中于300、350和450°C下煅燒，并將這些樣品分別命名為V2C-300、V2C-350和V2C-450。在450°C的退火溫度下，V2C-450 MXene材料的層狀結構轉變為典型的海膽狀微結構。許多刺狀的線和一些微棒連接在一起，形成海膽型或花型形態。

在不同溫度下煅燒的V2CTx MXene的SEM圖像：300°C（a）、350°C（b）、450°C（c），和在450°C空氣中退火的V2C MXene衍生的海膽狀V2O5結構的形成示意圖（d）。

研究人員評估了基于原始V2CTx MXene和海膽狀V2CTx/V2O5 MXene的兩種氣體傳感器裝置在室溫（23°C）下的丙酮傳感性能。與傳統的基于金屬氧化物的化學電阻器相比，MXene表現出正響應（電阻增加），這可能是由于其金屬特性。與原始V2CTx MXene相比，海膽狀V2CTx/V2O5 MXene傳感器的振幅顯著增加。當丙酮蒸汽濃度從0.25 ppm提高到15 ppm時，V2CTx MXene傳感器的響應值也增加。

V2CTx MXene傳感器對15 ppm丙酮蒸汽的響應為6.7%（S%），而海膽狀V2CTx/V2O5 MXene傳感器的響應為11.9%，對0.25 ppm檢測限的響應為4.76%。此外，V2CTx/V2O5 MXene傳感器在不同干擾氣體中表現出對丙酮的高選擇性，并具有快速的響應-恢復時間（115 s/180 s）、優異的再現性和長期穩定性（21天）。

基于原始V2CTx MXene和海膽狀V2CTx/V2O5 MXene的氣體傳感器在室溫（23°C）下的丙酮傳感性能。

總而言之，利用一步水熱合成技術在90°C下成功制備了手風琴狀V2CTx MXene。在450°C煅燒溫度下，多層V2CTx MXene部分轉變成海膽狀V2O5結構（V2CTx/V2O5 MXene）。研究了這兩種材料的形態、結構和表面特性，并評估了這兩種傳感器在室溫下檢測丙酮的效率。

V2CTx MXene的主要金屬特性反映在對丙酮的積極響應中。與原始V2CTx MXene傳感器相比，所制備的V2CTx MXene衍生的海膽狀V2CTx/V2O5 MXene混合傳感器在室溫下對15 ppm丙酮顯示出較高的響應（S%?=?11.9）。該氣體傳感器在室溫下表現出ppb級的低檢測限（250 ppb），并且具有高選擇性、長期穩定性和良好的再現性。

審核編輯：劉清