单层Ti2CO2:有潜力的高灵敏度的NH3传感器

【研究背景】

  NH3是氯氟烃(CFCs)在制冷系统中最常见的替代品，是一种有毒的化合物，挥发性强，对人体危害极大。另一方面，NH3被广泛应用于化学工业中合成各种材料，同时有望成为未来汽车能源载体。NH3也有望作为柴油汽车和卡车氮氧化物选择性催化还原(SCR)的NH3储存库。因此，寻找一种有效的方法来探测和捕获NH3气体，用于大气环境控制和工业应用是非常必要的。半导体金属氧化物和低维材料因其成本低、尺寸小、与传统微电子机械加工的相容性好等优点，被认为是最有前途的气体传感器候选材料。然而，这些传感器的主要缺点是对一种特定气体(NH3)缺乏选择性，而且由于NH3倾向于与多种底物发生强烈的相互作用，大多数传感器在室温下恢复时间较长。

       在所有的MXenes中，Ti2C是最薄的之一，在用HF酸刻蚀过程中，Ti2C表面会有F基、OH基和O基官能团。已经发现，Ti2C的电子性质对官能团有很强的依赖性，只有Ti2CO2表现出半导体性质，Ti2C、Ti2CF2和Ti2C(OH)2则表现出金属性质。因此Ti2CO2由于其半导体特性可能会有更多的潜在应用。

【成果介绍】

        烟台大学肖波副教授通过第一性原理模拟探索了单层Ti2CO2作为气体传感器和捕获的潜力。与其他气体分子(H2、CH4、CO、CO2、N2、NO2和O2)相对比，NH3在单层Ti2CO2上的优先吸附说明了单层Ti2CO2对NH3有优异的选择性。NH3吸附前后的I-V关系变化明显，表明单层Ti2CO2对NH3有很强的敏感性。更重要的是，单分子层的Ti2CO2与NH3的相互作用可以通过应变很容易地调节，这表明利用单分子层的Ti2CO2来捕获和释放NH3是很容易的。

  该成果在线发表于ACS Applied Materials & Interfaces: Monolayer Ti2CO2: A Promising Candidate for NH3 Sensor or Capturer with High Sensitivity and Selectivity.

【图文导读】

图1 吸附 NH₃,H₂,CH₄,CO,CO₂,N₂,NO₂或O₂分子的单层Ti₂CO₂的分子结构侧视图(a)和俯视图(b)。

图2 吸附在单层Ti₂CO₂上CO₂ (a)和NH₃ (b)的总电荷密度和态密度。

图3 (a)基于Ti₂CO₂的传感器检测NH₃分子的原理图; (b) NH₃或CO₂分子在单层Ti₂CO₂上吸附前后的电流-电压(I - V)关系。

图4 计算得到的NH₃在Ti₂CO₂、MoS₂和磷烯上吸附前后的I - V曲线。

图5 气体分子(包括NH3、H2、CH4、CO、CO2、N2、NO2或O2)在单层Ti2CO2上的吸附能作为施加的双轴应变的函数(从0到4%)。

【本文总结】

           通过第一性原理模拟,本文证明Ti2CO2有望成为拥有高灵敏度和选择性的NH3传感器,主要是因为下面几点原因: （1）与其他气体分子(H2,CH4, CO, CO2, N2, NO2和O2)相比，只有NH3可以化学吸附在单层Ti2CO2上；（2）NH3在Ti2CO2上的吸附能为-0.37 eV，适用于气体在固体表面的吸附/解吸，因此在检测到NH3后，Ti2CO2传感器可以很容易的恢复；（3）吸附NH3后，Ti2CO2的电导率明显提高，导致了Ti2CO2传感器对NH3的高灵敏度。此外，在Ti2CO2上施加应变可以进一步增强NH3与Ti2CO2之间的相互作用，即施加3%的应变时，吸附能为-0.51 eV，而在同一应变下，其他气体在Ti2CO2上的吸附要比NH3弱得多。因此，研究结果表明，Ti2CO2可以通过控制应变来作为NH3的捕获、分离和存储材料。

文献链接

https://doi.org/10.1021/acsami.5b03737

消息源：微信公众号 MXene FrontierFigure