近幾十年來，過渡金屬二硫族化合物（TMD）、MXene、氮化物和黑磷（BP）等二維納米材料基氣體傳感器受到了廣泛關注。二維納米材料卓越的物理化學和電學性質使其在室溫下對氣體分子高度敏感。然而，盡管具有巨大的潛力，但目前的氣體傳感技術存在選擇性不足、檢測不準確和環境不穩定性等問題。
據麥姆斯咨詢報道，近日，捷克布爾諾理工大學（Brno University of Technology）的研究人員在Small期刊上發表了題為“Surface-Engineered 2D Nanomaterials in Gas Sensors: Advancement and Challenges”的綜述文章，概述了表面工程策略在改善二維納米材料基氣體傳感器傳感性能方面的最新進展。首先，介紹了新興的二維納米材料、它們的合成路線和氣體傳感機制；然后，深入探討了常用的表面工程策略，例如缺陷調制、納米粒子功能化和雜原子摻雜，以提高氣體傳感性能；還討論了金屬插層和部分表面氧化/還原方法來調節傳感特性。此外，單原子催化劑工程強調了金屬原子在二維納米材料上的錨定，以提高原子利用率，從而提高催化傳感活性。這些工程技術能實現有效的表面敏化，調節二維材料中的載流子濃度。該綜述闡述了表面工程策略的關鍵目標，以克服混合材料的局限性，并為具有增強傳感性能的下一代氣體傳感器鋪平道路，進而影響廣泛的應用領域。
二維材料及其表面工程策略概覽，包括二維材料的合成與傳感機制
大多數二維材料的合成可分為自上而下法和自下而上法。在自上而下法中，二維材料是通過對塊狀層狀固體進行剝離而制備的；而自下而上法則是利用原子或分子前驅體制備材料。單層二維材料被認為最適合氣體傳感應用，因為其所有表面原子都能參與氣體吸附，并且單位體積的表面積最大。
二維材料在氣體傳感中的應用得益于其優異的電學、力學和化學性能。值得注意的是，二維材料的性能會因合成過程中采用的工藝參數、原子厚度以及改性策略的不同而存在差異。這些二維材料（例如TMD、碳化物和氮化物）的有益特性包括固有的原子級厚度、高表面積體積比、直接電荷轉移、與超薄硅通道技術的良好兼容性、可調節的帶隙以及高載流子遷移率，這些特性有助于實現卓越的氣體傳感性能。
用于氣體傳感的二維納米材料示例
迄今為止，科學家們已經提出了不同的二維納米材料的基本氣體傳感機制。電荷轉移是二維薄材料的主要機制概念，其中電荷轉移發生在氣體分子與傳感通道表面反應位點的相互作用過程。電荷轉移的方向和量直接取決于氣體的類型及化學結構，從而產生不同的氣敏量級。二維材料傳感機制的另一個重要方面是肖特基勢壘調制，其中氣體分析物與二維傳感通道的相互作用引起內置電位和肖特基勢壘的變化。
通過表面電荷轉移和肖特基勢壘調制的二維納米材料的氣體傳感機制
TMD、MXene、黑磷（BP）以及二維氮化物等二維材料因其能在不同環境條件下發生多種物理化學反應，由此以其卓越的氣敏特性而廣受關注。它們的二維特性使其成為室溫氣體傳感的理想候選者，對氨氣（NH3）、二氧化氮（NO2）、一氧化碳（CO）等多種氣體均表現出優異的傳感性能。然而，這些材料在原始狀態下的性能存在不足，需要對其常規特性進行適當修飾，以克服材料本身的局限性。因此，研究人員一方面致力于保留二維材料的固有特性，另一方面嘗試修飾其表面性質——因為表面性質是氣體反應的關鍵所在。由此，通過表面工程策略對層狀材料進行電化學修飾得到了廣泛的探索。二維材料的表面工程允許調整其表面和化學性質，有助于傳感器實現更高的氣體選擇性、響應度、更快的響應/恢復速度，以及更高的環境穩定性和長期穩定性。
基于TMD的氣體傳感器中的缺陷和摻雜工程
基于MXene的氣體傳感器的表面工程策略示例
基于二維氮化物的氣體傳感器中的表面工程示例
基于二維黑磷的氣體傳感器的表面工程策略
由于在氣體傳感應用中的優異性能，表面工程二維材料的未來前景廣闊。盡管二維材料表面工程的大部分研究都集中在一些基本的表面改性策略上，例如雜原子摻雜和金屬納米粒子功能化，但在MoS2、WS2、Ti3C2Tx和g-C3N4等被廣泛認可的二維材料中，該領域仍有很大的發展空間。新興和復雜的表面工程策略，包括量子點和單原子催化劑功能化、原子缺陷操縱以及離子或納米顆粒嵌入二維薄片，有可能增強傳感材料與目標氣體分析物的兼容性。此外，原子層沉積、離子束曝光和等離子體處理等先進的表面改性技術值得更多關注，可以進一步探索，以有效控制合成過程中的分布和參數?？傊?，新型先進的表面工程技術還有相當大的發展空間。將這些與最合適的二維材料相結合，可以在未來實現出色的氣體傳感性能。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/smll.202410360
