【文末有彩蛋哦!】ACS Nano: 具有超疏水保护功能的表面功能化MXene用于挥发性有机化合物检测

MXenes是一类二维（2D）过渡金属碳化物/氮化物，通常通过从MAX相中去除中间A层而最终形成通式为Mn+1XnTx的化合物制成，其中M代表早期过渡金属，X是碳和/或氮（n = 1、2或3），Tx表示表面官能团，例如-O，-OH和/或-F。由于金属电导率，可调的亲水性，较大的化学活性表面和结构稳定性等物理和化学特性的完美结合，MXenes已在各种应用中得到了探索，包括储能，电磁干扰屏蔽，催化，水净化和传感应用。最近的研究表明，与其他2D材料相比，基于MXenes（Ti3C2Tx）的气体传感器具有出色的灵敏度和较低的检测限。但是，MXene的一个特殊问题是它们在氧化气氛下的环境不稳定性，有关将其集成到器件中的文献报道中通常没有提到，但对于材料制造和应用而言都是一个重大缺点。MXenes在空气中或在水存在下会随时间迅速降解。由官能团带来的亲水特性，使得它们易于氧化。为了克服这个问题，已经提出了各种方法，包括掺入金属氧化物，抗氧化剂以及在惰性环境中存储。但是，关于采用表面工程技术以引入有效层来防止MXene氧化的研究很少。而且，尽管有一些研究报道了将MXene结合到传感设备中，但这些都没有讨论其在空气或水性环境中的保存期限短和缺乏存储稳定性的问题。本文提出了一项研究，研究了通过表面工程减轻氧化不稳定性对MXenes对挥发性有机化合物（VOC）的气敏性能的影响。

近期，普渡大学的Lia A. Stanciu教授在国际知名学术期刊ACS Nano上发表一篇题目为：Surface Functionalization of Ti3C2Tx MXene with Highly Reliable Superhydrophobic Protection for Volatile Organic Compounds Sensing的研究论文，在这项工作中，证明了超疏水SAM可以在Ti3C2Tx上官能化，作为一种分子保护层，减轻这些材料固有的氧化稳定性不足，这一策略对于设计各种环境下高可靠的MXene基气敏器件是有效的。通过表面处理工艺，用高氟化溶液简单地修饰Ti3C2Tx纳米片，从而引入保护层。经过适当的处理，亲水的Ti3C2Tx会变成超疏水的，最终氟烷基硅氧化的Ti3C2Tx纳米片会在氧化和潮湿环境中表现出优异的稳定性，并在环境测试中具有耐久性。更重要的是，本研究表明，与原始的、未修饰的Ti3C2Tx相比，SAM功能化的Ti3C2Tx, VOC的感知性能得到了极大的提高，这是由于SAM分子在MXene层间的插入增加了比表面积。本研究表明，基于氧化环境下稳定的MXene材料开发高可靠的室温气体传感器件是可行的。

图1.材料制备及表征。
 

图2. Ti3C2Tx改性前后不同湿度下材料稳定性测试。

图3. FOTS功能化Ti3C2Tx纳米片的XPS表征。

图4.材料气敏性能测试。

图5.材料气敏性能的稳定性测试。

图6.相关理论计算。

     综上所述，本文已经证明了一种简便而稳健的，利用FOTS功能化Ti3C2TxMXene让其拥有超疏水保护层的途径。对SAM处理的Ti3C2Tx表面进行了基于接触角、zeta电位和XPS测量的系统研究，结果表明表面性质是可以被表面官能团控制的。特别是FOTS功能化的Ti3C2Tx不仅在潮湿环境中表现出了水化稳定性，而且在强酸性和碱性溶液中也表现出了良好的耐受性。此外，在化学传感结构中使用具有较大间距的Ti3C2Tx-F作为电极材料，极大地提高了气体传感的灵敏度、选择性和响应/恢复时间，特别是在检测含氧VOCs时，它提供了良好的结构，具有较高的吸附位置和有效的气体传输。Ti3C2Tx-F传感器还演示了在潮湿环境下检测乙醇的良好性能。DFT模拟结果表明，乙醇对Ti3C2Tx-F的强吸附能和乙醇诱导的结构变形都可能有助于气敏增强。本文提出的策略可以有效地解决MXenes的氧化和湿降解问题，从而提高其在现实世界传感设备中的实际应用前景。
 
文献链接：
https://doi.org/10.1021/acsnano.0c03896.

~文末彩蛋~

      MXene Frontiers编辑部应广大读者需求~今天推文的最后特意附上由中科院材料所黄庆老师总结的未来十年MXenes研究所面临的挑战，在前不久刚刚举办的MXenes会议中正式发布的哦~希望可以为各位老师的研究有所帮助哦！

PS：可以通过在公众号后台回复“MXene挑战” 或 “MXene挑战图片” 两个关键词中的任何一个即可获得高清原图哦~

PPS：因为公众号改变推送顺序规则，也请各位老师同学们进入公众号主页的同时将MXene Frontiers加入星标，从此不再错过我们的分享哦~

文章来源： 纳米酶 Nanozymes 
本信息来源于互联网仅供学术交流，如有侵权请联系我们立即删除。