Advanced Functional Materials封面论文:边缘富集的Mo2TiC2Tx/MoS2异质结构用于NO2气体高选择检测


01 导读

过渡金属碳/氮化物(MXene)二维材料自2011年发现以来,由于独特的层状结构、可调节的导电性与丰富的端基,在各个领域备受关注。碳化钛(Ti3C2Tx)作为典型的MXene材料,因其优异的导电性、高产量和易刻蚀,在传感器技术领域被广泛报道。然而,研究表明Ti3C2Tx基气体传感器不仅对NH3、NO2等无机气体敏感,而且对挥发性有机化合物(VOCs)敏感。气体之间的交叉干扰可导致传感器的错误识别和量化。同时,先前的理论计算表明Ti3C2Tx对NH3、NO2等气体具有较小的吸附能。因此,针对有毒有害NO2气体,在种类丰富的MXene族中开发一种高选择、高灵敏的MXene材料仍是一个挑战。

02 成果掠影

近日,电子滚球体育 大学太惠玲教授和中南大学欧阳方平教授等人报道了一种用于NO2检测的具有边缘富集异质结构的Mo2TiC2Tx/MoS2。DFT理论计算表明双金属MXene材料Mo2TiC2Tx对NO2气体分子表现出超强的吸附特性,吸附能可达−3.12 eV。通过界面调制将其与MoS2耦合形成边缘富集的异质结构。得益于复合材料的强吸附、丰富吸附位点与异质界面的协同作用,制备的气体传感器对NO2气体表现出高灵敏与高选择。进一步地,搭建了基于Mo2TiC2Tx/MoS2气体传感器的便携式无线NO2监测系统,可用于气体泄漏搜索和危险报警。相关研究成果以题为“Edge‐Enriched Mo2TiC2Tx/MoS2Heterostructure with Coupling Interface for Selectively NO2Monitoring”发表于Advanced Functional Materials,并被选为封面论文。

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03 核心创新点

结合Mo2TiC2Tx的强吸附与 MoS2的边缘富集结构,提出了一种具有耦合界面Mo2TiC2Tx/MoS2异质结构以开发高选择、高灵敏的 NO2气体传感器。

04 数据概览

图1(a)Mo2TiC2Tx/MoS2复合材料合成示意图。(b)气体传感组件。

图2(a-c)Mo2TiC2Tx的SEM、TEM与HRTEM图像。(d-e)MoS2的SEM与HRTEM图像。(f-j)Mo2TiC2Tx/MoS2复合材料的SEM、TEM、HRTEMs图像,SAED衍射图与TEM元素映射图像。

图3 (a)Mo2TiAlC2、Mo2TiC2Tx、MoS2和复合材料的XRD图谱。(b-c) Mo2TiC2Tx、MoS2和复合材料的拉曼光谱与FTIR光谱。(d)Mo2TiC2Tx和Mo2TiC2Tx/MoS2复合材料的Ti 2p的 HRXPS光谱。(e-f)Mo2TiC2Tx、MoS2与Mo2TiC2Tx/MoS2复合材料的C 1s与Mo 3d的 HRXPS光谱。

图4(a)Mo2TiC2Tx、MoS2、Mo2TiC2Tx/MoS2基气体传感器对2–50 ppm NO2的电阻响应曲线。(b)Mo2TiC2Tx/MoS2传感器对200–1000 ppb NO2的电阻响应曲线。(c)线性拟合曲线。(d)传感器对2.5 ppb NO2的电阻响应曲线。(e)传感器对10 ppm和50 ppm NO2的重复性曲线。(f)传感器在10 ppm和50 ppm NO2下的响应/恢复时间。(g)放大的响应曲线。(h)湿度对10 ppm NO2气体响应的影响。(i)稳定性测试曲线。

图5(a)Mo2TiC2Tx、MoS2和Mo2TiC2Tx/MoS2基传感器对多种气体的选择性响应。(b)Mo2TiC2Tx与MoS2对多种气体的吸附能。(c)复合材料对多种气体的吸附能。(d-f)Mo2TiC2Tx,MoS2与Mo2TiC2Tx/MoS2复合材料对NO2分子吸附模型的俯视图和侧视图。

图6. 敏感机理示意图。

图7(a)无线传感系统原理图。(b)无线传感系统对5、10、50 ppm NO2的反馈结果。(c)遥控车装载测试电路、气体传感器与电池的光学照片。(d)无线传感系统在有害气体监测中的应用示意图。(e-g)用于气体泄漏报警的光学照片。

05 成果总结

综上所述,研究人员提出了一种对 NO2气体分子具有超强表面吸附的高活性Mo2TiC2Tx,并通过界面调制进一步与MoS2耦合,以构建边缘富集的异质结构。得益于Mo2TiC2Tx/MoS2复合材料的强吸附、丰富吸附位点和耦合界面的协同作用,制备的气体传感器对NO2具有高选择性,并通过密度泛函理论计算证实。同时,该传感器在室温下表现出高灵敏度、超低检测限与优异的可逆性。最后,搭建了便携式无线NO2监测系统,用于气体泄漏搜索和危险报警。这项工作拓展了双金属MXene的气体传感应用,并为环境监测和安全保障中无线传感系统的发展提供了一条途径。

原文详情

Zhao, Qiuni, Wenzhe Zhou, Mingxiang Zhang, Yang Wang, Zaihua Duan, Chaoliang Tan, Bohao Liu, Fangping Ouyang*, Zhen Yuan*, Huiling Tai*, Yadong Jiang (2022). Edge‐Enriched Mo2TiC2Tx/MoS2Heterostructure with Coupling Interface for Selectively NO2Monitoring. Advanced Functional Materials, 2203528.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202203528

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