WO/MXene 用于气体传感器

【研究背景】
      能够精确检测挥发性有机化合物（VOCs）的气体传感器的发展在工业安全控制、环境监测和个人健康等广泛领域具有重要意义。在众多VOCs传感器中，丙酮传感器因其在健康监测和自我诊断方面的应用前景受到人们越来越多的关注。对于丙酮传感器，金属氧化物是应用最广的气敏材料。其中，氧化钨(WOx<3)因其优异的化学稳定性、低成本、易合成、结构多样性和可控性而受到特别关注。然而氧化钨气体传感器响应仍然相对较低，检测限也相对较高(>2 ppm)，不适合用于健康诊断。为了提高气体传感性能，可以采用构建异质结构、制备复合材料、设计新型传感器结构、掺杂等方法。作为新兴二维材料的MXene，其表面富含官能团，可以作为气体吸附的位点，具有优异的气敏材料前景。鉴于已有的一些MXene复合材料的报道，可以预测氧化钨与MXene的复合材料应该也会具有不错的气敏性能。

【成果简介】
      近期，上海海事大学常雪婷教授和中国石油大学（华东）张冬至副教授第一次报道了采用简易溶剂热法制备的W18O49/Ti3C2Tx复合材料，并研制了基于这种材料的丙酮气体传感器。一维的W18O49纳米棒均匀的分布在二维Ti3C2Tx薄片的表面，构成了一维/二维W18O49/Ti3C2Tx复合材料。W18O49/Ti3C2Tx复合材料对丙酮的传感性能有明显的改善。对低浓度丙酮响应高，响应恢复速度快，选择性好，稳定性好，同时丙酮的检测极限低。为制备高性能的丙酮传感器提供了一种新材料。
    

       该成果在线发表于Sensors and Actuators: B. Chemical: W18O49/Ti3C2Tx MXene nanocomposites for highly sensitive acetone gas sensor with low detection limit

【图文导读】

图1 Ti₃C₂T_x MXene片、W₁₈O₄₉纳米棒以及W₁₈O₄₉/Ti₃C₂T_x复合材料的XRD图谱。

图2 (a) MXene片的SEM图和(b)对应的Ti, C, O和F的EDS元素映射。W18O49纳米棒（c, d）W18O49/Ti3C2Tx-1%（e, f），W18O49/Ti3C2Tx-1.5%（g, h），W18O49/Ti3C2Tx-2%（i, j）W18O49/Ti3C2Tx-2.5%（k,l）的SEM图。

图3 W₁₈O₄₉/Ti₃C₂T_x-1% (a), W₁₈O₄₉/Ti₃C₂T_x-1.5%(b), W₁₈O₄₉/Ti₃C₂T_x-2%（c）W₁₈O₄₉/Ti₃C₂T_x-2.5% （d）的TEM图。（e）W₁₈O₄₉/Ti₃C₂T_x-2%选定区域W、O、Ti和C的元素映射。

图4 （a）MXene片，W₁₈O₄₉纳米棒（c, d）和W₁₈O₄₉/Ti₃C₂T_x复合材料的XPS能谱。（b）Ti 2p 和 (c) C 1s 对应的MXene片的去卷积能谱。(d) W 4f和 (e) O 1s对应的 W₁₈O₄₉纳米棒的去卷积能谱. (f) Ti 2p 和 (g) C 1s 对应的W₁₈O₄₉/Ti₃C₂T_x复合材料的去卷积能谱。

图5 不同传感器对20ppm丙酮在(a) 200℃, (b) 250℃, (c) 300℃, (d) 350℃, and (e) 400℃下的响应—恢复曲线。（f）不同传感器对20ppm丙酮的响应随工作温度的变化曲线。（g）在200℃300℃下，W₁₈O₄₉/Ti₃C₂T_x-2%传感器对20ppm丙酮的响应恢复时间。（h）在300℃下，W₁₈O₄₉传感器对20ppm丙酮的响应恢复时间。

图6 （a）300℃下，不同传感器0.17-500ppm的丙酮的响应恢复曲线。内部图片是对0.17-2ppm丙酮的响应恢复曲线的放大图。（b, c）不同传感器对丙酮浓度的响应曲线。（d）W₁₈O₄₉/Ti₃C₂T_x-2%传感器对20ppm丙酮的循环响应-恢复曲线。

图7在300℃下，不同传感器对20ppm的（a）乙醇，（b）甲醛和（c）氨气的响应恢复曲线。（d）不同传感器对不同气体响应的比较。

图8 (a) 在300℃下，在不同湿度下，W₁₈O₄₉/Ti₃C₂T_x-2%传感器对20ppm丙酮的响应恢复曲线(b)响应与湿度的函数关系。

图9丙酮与W18O49/Ti3C2Tx复合材料的反应示意图（b）-（d）不同条件下W18O49/Ti3C2Tx异质结的能量差示意图。

【本文总结】
    本文成功地合成了W18O49/Ti3C2Tx复合材料。含2 wt% Ti3C2Tx的W18O49/Ti3C2Tx复合材料表现出最佳的丙酮传感性能，其对20ppm的丙酮有11.6的响应，极低的检测下限为170 ppb丙酮，快的响应/恢复率（5.6/6s 对170 ppb丙酮）。与W18O49和Ti3C2Tx传感器相比，W18O49/Ti3C2Tx传感器表现出优越的丙酮传感性能，可以归因于W18O49纳米棒均匀分布在Ti3C2Tx表面,水热过程后去除了Ti3C2Tx的氟基,以及W18O49纳米棒和Ti3C2Tx片的协同界面相互作用关系。一维/二维W18O49/Ti3C2Tx复合材料在丙酮传感器方面具有潜在的应用前景，其合成可以推广到其他新型气体传感材料的制备。

文献链接：
https://doi.org/10.1016/j.snb.2019.127274

消息来源：微信公众号 MXene Frontier