电荷的可控注入MXene用于氨气传感器

【背景介绍】
   氨气(NH3)是化学工业中最重要的化学资源之一，广泛应用于化工系统、化肥生产、食品加工、柴油车NOx气体还原等方面。另一方面，NH3是一种剧毒化合物，对人体和动物都是非常有害的，因为它们可以抑制身体组织对氧气的消耗。因此，设计新材料来制作高效率的氨气捕获器和/或传感器变得非常必要。现在常用的氨气捕获材料Mg(NH3)6Cl2, Sr(NH3)8Cl2等,虽然能有效地捕获氨气,但是想要把捕获的氨气释放出来,或者需要多步反应,或者需要高温(>450K),因此难以阻碍了它们在储能领域的应用。而现有的氨气传感器的主要缺点是在检测到氨气气体后，不能完全恢复到初始状态或室温下恢复时间长。因此设计氨气捕获器或者传感器的主要挑战便是如何把氨气从材料中有效的释放出来。

【成果简介】
    2016年，烟台大学于雪芳博士报告了一个系统的研究结果，从中性和负电荷的M2CO2上吸附/解吸NH3。结果表明，通过改变M2CO2的电荷态，可以控制甚至逆转NH3在M2CO2上的有效释放/捕获。这种行为的具体原因与注入电荷后M2CO2金属原子上电荷态的显著改变直接相关。本研究拓宽了MXene的应用范围，不仅可以用作电池材料，还可以通过对电荷注入的控制，作为可重复使用的NH3传感器或捕获器材料。
    该成果在线发表于Sensors and Actuators B: Chemical:MXenes: Reusable materials for NH3 sensor or capturer by controlling the charge injection
 
【图文导读】

图1 NH₃分子在单层Zr₂CO₂上吸附的俯视图(a)和侧视图(b)。

图2 气体分子在单层Zr₂CO₂上的吸附能和Mulliken/Hirshfeld电荷转移。

图3表面是含氧官能团的半导体MXenes的部分态密度。

图4 与中性MXenes相比，带电MXenes中各类型原子的Mulliken和Hirshfeld (插图)电荷分布的变化。

图5 NH₃在单层Sc₂CO₂, Ti₂CO₂, Zr₂CO₂and Hf₂CO₂上的(a)吸附能和(b)N-M(M = Sc, Ti, Zr和Hf)键长和Mulliken/Hirshfeld电荷转移。注意到氨气在Sc₂CO₂, Ti₂CO₂和Zr₂CO₂上的吸附能是在PBE-D2方法下获得的，而在Hf₂CO₂上的吸附能只用了PBE功能。

图6 NH₃分子在被水覆盖的单层Zr₂CO₂上吸附的俯视图(a)和侧视图(b)，(c)NH₃和带电Zr₂CO₂-nH₂O系统相应的吸附能和Mulliken电荷转移，(d) NH₃和带电 Zr₂CO₂-3H₂O系统相应的吸附能和Mulliken电荷转移。

【本文总结】

  利用第一性原理研究了NH₃与表面为含氧官能团的半导体MXenes的相互作用(M₂CO₂，M = Sc, Ti, Zr和Hf)。结果表明，NH₃在M₂CO₂上具有较强的化学吸附作用，且具有明显的电荷转移。特别是NH₃与M₂CO₂的相互作用强度可以通过引入电子到体系中而显著减弱，最终导致M₂CO₂释放出NH₃气体。以Zr₂CO₂为例，发现与其他气体分子(如H₂、CH₄、CO、CO₂、N₂、NO₂、O₂等)相比，只有NH₃在Zr₂CO₂上具有较强的化学吸附作用。更重要的是，NH₃对Zr₂CO₂的吸附行为经历了从化学吸附(Eads = 0.81 eV)到物理吸附(Eads = 0.20 eV)的变化，这是在额外的两个电子被引入到3×3 Zr₂CO₂薄片时发生的。本文的结果强调了一个从表面为含氧官能团的半导体MXenes上方便释放NH₃的可行路线，那就是利用电荷的注入。综上所述，本文认为表面为含氧官能团的半导体MXenes是很好的NH₃捕获/传感器材料，可以通过控制系统上的电荷态来实现对NH₃的高可逆释放和捕获。

文献链接

http://dx.doi.org/10.1016/j.snb.2016.05.062