高質量、低成本、低功耗的氣體傳感器是檢測有毒、有害、易燃氣體的有力工具。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，選擇優質材料，特別是性能優異的納米材料非常重要。新型二維材料MXene由于優異的導電性、良好的機械性能、可調的層間距、較大的比表面積和表面豐富的官能團等特性引起人們的極大關注，而類石墨烯形態、高電導率、吸附性等特點使其在氣體傳感器領域具有巨大應用潛力。

據麥姆斯咨詢報道，針對新型二維氣敏材料的研究進展，上海理工大學的研究人員進行了綜述分析，簡要介紹了金屬氧化物半導體材料，著重分析了新型二維材料MXene在氣體傳感方面的研究進展，從而為新型氣敏材料的發展和應用提供借鑒。相關研究內容以“新型二維氣敏材料的研究進展”為題發表在《陶瓷學報》期刊。

金屬氧化物半導體材料

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、響應速度快、穩定性好、成本低等優點，其應用廣泛。常見的金屬氧化物材料有SnO2、ZnO、WO3、CuO、In2O3、Co3O4、TiO2以及復合材料等，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行工作，這會導致納米材料結構變化、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領域。此外，通過構建異質結構、摻雜、金屬氧化物和二維納米材料的協同組合等措施，可有效提高氣敏傳感性能。因此，探索新型納米材料，設計在低溫或室溫下工作的傳感器，降低傳感器功耗、提高穩定性、實現小型化和功能化是傳感器設計的重點目標。

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除了具有傳統二維材料（過渡金屬硫化物、黑磷、石墨烯等）的優點（導電性好、機械性能好和比表面積大）外，還具有高親水性、大且可調的層間距、豐富的表面官能團、獨特的表面化學性質（易于表面官能化）、良好的生物相容性等優良特性。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合的復合材料成為制備氣體傳感器的熱點。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，兩者各有優缺點。金屬氧化物基氣體傳感器雖然響應速度快、成本低和可量產，但是其工作溫度和能耗較高；而二維材料雖然能耗低，但是恢復速度慢。二者的結合為氣體傳感器的發展提供了新的思路。其原理是當兩種材料結合在一起時，在彼此連接處會形成異質結界面，而界面上的費米能級會按照能級結構來調整，直至界面處的電荷轉移過程結束。此外，形成的異質結構對于目標氣體分子會十分敏感，氣體分子會被吸附到異質結中，進而提高傳感性能。

MXene材料的應用

二維材料MXene最近在可穿戴技術方面發展十分迅速，在疾病預防、健康檢測等多個領域應用廣泛。根據傳感機制的不同，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點被廣泛應用，如電子手表，可以用來實時、連續、非侵入性地跟蹤監測人體各項生理指標（呼吸、心率、體溫、血壓等），這類電子設備同時具備靈活性高、重量輕、耐用性好、對人體皮膚友好、機械穩定性好等優點。

基于MXene的可穿戴氣體傳感器已有不少研究工作出現。Lee等人報道了一種可伸縮的濕法紡絲工藝制備無金屬粘結劑的MXene/GO雜化纖維。如圖2所示，這些混雜纖維表現出優異的機械和電學性能，可用于柔性可穿戴氣體傳感器。2D混合材料的優異特性有望為設計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。這項研究為利用微結構工程定制氣體傳感器的傳感性能提供了參考。

圖3 （a）基于微結構芯鞘光纖的無IE氣體傳感器及其表面形態的示意圖；（b）MXene/PU芯鞘纖維在松弛和拉伸狀態下的數字圖像；（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志物，氣體傳感器可以很好的對疾病進行預測。Ti3C2Tx/TiO2納米復合傳感器具有低功耗、制作工藝簡單等優點，在物聯網環境監測中具有廣闊的應用前景。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復合材料的氣體傳感器的氣體傳感機制，為設計用于工業應用的基于MXene的傳感器提供了新思路。與此同時，所制備的傳感器有望用于對肺癌進行早期健康監測。

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

總結與展望

MXene因其優異的理化性質、大的比表面積、表面豐富的官能團等特點，逐漸成為新一代氣體傳感器的首選。基于MXene的復合材料在可穿戴設備方面顯示出許多優點，但是仍存在諸多挑戰，如穩定性問題、成本高、制備數量少等。若是低成本、大規模制備純MXene技術難題得以解決，將有效推動MXene在各個領域的應用。此外，探索如何制備形貌、結構和表面官能團可控的MXene材料至關重要，優異的MXene材料將能夠有效改善傳感器的機械性能和傳感性能，推動其在下一代傳感設備中發揮更大的應用潛力。

審核編輯：劉清