MXene由于具有獨特的形態、優異的比表面積和類似金屬的導電性，被認為是極具潛力的氣體傳感材料。傳統的MXene基氣體傳感器主要依賴于MXene的導電性進行信號轉換。為了充分挖掘MXene在氣體檢測領域中的應用潛力，需要不斷探索其新的信號轉換機制。

據麥姆斯咨詢報道，近期，南達科塔州立大學（South Dakota State University）、福建工業大學等機構的研究團隊成功開發了基于質量轉換的MXene-MQTF氣體傳感器，該傳感器利用MXene作為選擇性受體，微型石英音叉（MQTF）作為換能器。通過將表面改性的Ti?C?Tx涂覆在MQTF的頂端作為識別層，研究人員展示了MXene-MQTF氣體傳感器用于檢測CO、SO?和NH?的高靈敏度和可調選擇性。相關研究成果以“Highly sensitive and reversible MXene-based micro quartz tuning fork gas sensors with tunable selectivity”為題發表在npj 2D Materials and Applications期刊上。

圖1 本研究提出的Mxene-MQTF氣體傳感器示意圖

MQTF是一種基于石英的壓電諧振器，通常在多種數字電子設備中用作于頻率測量單元。MQTF具備高品質因數（Q）、低功耗、小尺寸、低成本以及諧振頻率穩定等優勢。MQTF傳感器的工作原理基于氣體分子在其傳感材料表面的吸附或解吸附作用引起的諧振頻率變化。因此，MQTF表面識別層的設計對于實現高性能氣體傳感至關重要。

在這項研究工作中，研究人員通過在Ti?C?Tx表面引入不同的化學基團，并將表面改性的Ti?C?Tx涂覆在MQTF的頂端作為識別層，開發出了能夠靈敏、選擇性且可逆地檢測CO、SO?和NH?的MXene-MQTF氣體傳感器。氣體分子與MXene的相互作用引起了質量變化，從而導致MQTF發生諧振頻率變化。這種信號轉換機制消除了對MXene導電性的依賴，為MXene的化學改性提供了更多的可能性，同時也不必擔心化學改性可能對其導電性帶來的影響。

測試結果表明，與原始Ti?C?Tx相比，經過表面改性處理的Ti?C?Tx氣敏性能顯著提升。具體而言，基于Ti?C?Tx-NH?的傳感器對SO?表現出較高的選擇性，基于Ti?C?Tx-F的傳感器對CO的響應最強。這是因為Ti?C?Tx-NH?和Ti?C?Tx-F分別被-NH?和-F官能團覆蓋，這有助于提升其對特定氣體的選擇性。此外，在表面改性反應中，通過提高材料制備溫度，在MXene中引入更多的表面化學基團，可以進一步提高MXene-MQTF氣體傳感器的靈敏度和選擇性。

圖2 MXene材料的制備和表征

圖3 室溫下基于Ti?C?Tx、Ti?C?Tx-NH?和Ti?C?Tx-F的MXene-MQTF傳感器的氣體響應性能

圖4 室溫下基于Ti?C?Tx、Ti?C?Tx-NH?和Ti?C?Tx-F的MXene-MQTF傳感器對三種不同氣體的響應性能

圖5 基于Ti?C?Tx-NH?的MXene-MQTF傳感器對SO?氣體的響應性能

這項研究所提出的基于質量轉換的MXene-MQTF氣體傳感器，不僅具有高傳感性能、可調選擇性，還具備成本效益。鑒于MQTF的小尺寸（幾毫米級別）和經濟實惠的成本（低于1美元），加之簡單的傳感器制造工藝，未來有望將MXene-MQTF傳感器作為化學傳感單元無縫集成在智能設備中。這項研究為開發基于MXene的高性能化學傳感器奠定了基礎，并為其在空氣質量監測、可穿戴設備、物聯網和機器人等領域的應用提供了新的可能性。

論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41699-024-00452-1

審核編輯：劉清