近年來，先進(jìn)材料的快速發(fā)展為氣體傳感領(lǐng)域帶來了革命性的突破，推動(dòng)了一系列高靈敏度和高選擇性氣體傳感器的問世。在眾多新興材料中，石墨烯和MXene憑借其卓越的性能和多樣化的應(yīng)用潛力，成為了研究熱點(diǎn)。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，韓國(guó)嘉泉大學(xué)（Gachon University）的研究團(tuán)隊(duì)在Molecules期刊上發(fā)表了一篇題為“A Comparative Review of Graphene and MXene-Based Composites towards Gas Sensing”的綜述文章，系統(tǒng)介紹了石墨烯和MXene基復(fù)合材料的制備技術(shù)，分析了這些材料在氣體傳感中的應(yīng)用和傳感機(jī)制，并對(duì)該領(lǐng)域未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望。
石墨烯和MXene基復(fù)合材料的制備
石墨烯的制備涉及多個(gè)步驟。為了提高對(duì)特定氣體的選擇性和特異性，傳感器原型中通常會(huì)引入導(dǎo)電和半導(dǎo)體納米材料，例如將石墨烯與氧化錫（SnO?）和氧化鋅（ZnO）等金屬氧化物結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)對(duì)一氧化碳（CO）和二氧化氮（NO?）等特定氣體的精確檢測(cè)。這些金屬氧化物的半導(dǎo)體特性使得氣體分子在其表面吸附時(shí)能引起電阻變化，從而提高檢測(cè)精度。此外，將二硫化鉬（MoS?）和二氧化鈦（TiO?）等材料與石墨烯結(jié)合，可顯著提高其對(duì)氨（NH?）和硫化氫（H?S）等氣體的靈敏度和選擇性。這些納米復(fù)合材料巧妙地結(jié)合了石墨烯的高導(dǎo)電性、大比表面積，以及半導(dǎo)體材料的獨(dú)特電氣特性，有效提升了氣體傳感性能。
圖1 （1）激光誘導(dǎo)石墨烯（LIG）傳感器的制備過程示意圖；（2）激光誘導(dǎo)石墨烯傳感器的形態(tài)分析
MXene的合成過程復(fù)雜多樣，其中最常見的方法是從MAX相中選擇性地蝕刻A元素（通常是鋁或其它第13、14族元素），從而獲得二維MXene結(jié)構(gòu)。MXene的層狀結(jié)構(gòu)由碳或氮原子層與過渡金屬原子層交替排列而成，這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)對(duì)MXene與氣體分子的相互作用及其電阻或?qū)щ娦宰兓陵P(guān)重要。MXene表面豐富的官能團(tuán)（例如-O、-OH和-F）極大地影響了氣體分子與MXene的相互作用。氣體分子可通過物理吸附或化學(xué)反應(yīng)與MXene表面結(jié)合，這種相互作用通過改變能帶結(jié)構(gòu)或電荷載流子濃度，進(jìn)而影響MXene的電子特性。由于具有高導(dǎo)電性和表面改性的靈活性，MXene對(duì)周圍環(huán)境變化極為敏感，從而顯著提高了其作為氣體傳感器的性能。
圖2 （1）Ti?C?Tx MXene堿化過程示意圖；（2）Ti?C?Tx MXene的掃描電鏡（SEM）圖像
石墨烯和MXene基氣體傳感器
石墨烯基氣體傳感器具有高靈敏度、快速響應(yīng)時(shí)間和靈活性等優(yōu)勢(shì)，特別適用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)甲烷（CH?）、一氧化碳（CO）和揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）等危險(xiǎn)氣體。石墨烯易于進(jìn)行功能化改性，可根據(jù)不同工業(yè)過程需求進(jìn)行定制，從而提高安全性并實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體泄漏的及時(shí)檢測(cè)。MXene基氣體傳感器憑借其大比表面積和優(yōu)異導(dǎo)電性，在低濃度氣體檢測(cè)方面展現(xiàn)出卓越的靈敏度和通用性。研究人員通過將各種形態(tài)的石墨烯和MXene結(jié)構(gòu)與聚合物、金屬氧化物和其它半導(dǎo)體材料巧妙結(jié)合，成功開發(fā)出了能夠檢測(cè)不同濃度氣體的柔性和剛性傳感器原型。
圖3 （1）在柔性印刷電路板上制造石墨烯/ZnO復(fù)合傳感器的示意圖；（2）可穿戴式NFC標(biāo)簽系統(tǒng)的示意圖
圖4 基于3D折紙的MXene NH?氣體傳感器
圖5 基于激光誘導(dǎo)石墨烯的濕度傳感器
石墨烯和MXene基復(fù)合材料的氣體傳感機(jī)制
雖然MXene和石墨烯基材料廣泛應(yīng)用于氣體傳感，但由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、化學(xué)和電子特性，它們通常表現(xiàn)出不同的氣敏機(jī)制。MXene主要依靠表面吸附和電荷轉(zhuǎn)移相互作用進(jìn)行氣體傳感，其二維結(jié)構(gòu)、豐富的表面官能團(tuán)和高導(dǎo)電性是獨(dú)特之處。此外，通過調(diào)節(jié)MXene的層間距，可以進(jìn)一步提高其靈敏度和氣體擴(kuò)散能力。相比之下，石墨烯基材料主要通過氣體分子與其表面之間的電荷轉(zhuǎn)移過程實(shí)現(xiàn)氣體檢測(cè)，其大比表面積、良好柔韌性和卓越的電學(xué)性能是突出優(yōu)勢(shì)。通過增加石墨烯中的活性位點(diǎn)、缺陷和官能團(tuán)，或進(jìn)行雜原子摻雜，可以進(jìn)一步提升其靈敏度和選擇性。兩者的主要區(qū)別在于：石墨烯的傳感性能主要取決于其本征導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和特定官能團(tuán)或缺陷的引入，而MXene則得益于其可調(diào)控的表面化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)修飾，可以針對(duì)特定目標(biāo)氣體進(jìn)行精確設(shè)計(jì)。
圖6 氧化石墨烯（rGO）/SnO?納米復(fù)合材料的氣敏機(jī)制示意圖
圖7 三氧化鎢（WO?）/Nb?CTx異質(zhì)結(jié)傳感器的傳感機(jī)制示意圖
總結(jié)與展望
雖然石墨烯和MXene基復(fù)合材料在氣體傳感領(lǐng)域展現(xiàn)出諸多優(yōu)勢(shì)，但仍面臨一些亟待解決的挑戰(zhàn)。在實(shí)際應(yīng)用中，石墨烯基氣體傳感器常遇到傳感性能恢復(fù)不完全的問題，這會(huì)造成傳感器在反復(fù)暴露于分析物中時(shí)，靈敏度逐漸下降。另一方面，MXene材料在氧化環(huán)境中容易喪失高電導(dǎo)率，這會(huì)使其在氣體傳感實(shí)際應(yīng)用中性能下降，尤其是在富氧或高濕度環(huán)境下表現(xiàn)更為明顯。針對(duì)這些局限性，研究人員們正在積極開展專項(xiàng)研究。
未來的研究重點(diǎn)可能集中在以下幾個(gè)方面：開發(fā)能夠同時(shí)檢測(cè)多種氣體的多功能傳感器，優(yōu)化材料合成工藝以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的規(guī)模化生產(chǎn)，集成先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)以提高數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性，以及全面評(píng)估這些傳感材料對(duì)環(huán)境和健康的影響。此外，通過探索柔性電子、自修復(fù)技術(shù)和納米技術(shù)等前沿領(lǐng)域的協(xié)同效應(yīng)，推動(dòng)氣體傳感技術(shù)進(jìn)一步創(chuàng)新，從而實(shí)現(xiàn)更加靈活、可靠的新一代氣體傳感系統(tǒng)。
論文信息：
https://doi.org/10.3390/molecules29194558
