综述：石墨烯和MXene基复合材料及其气体传感应用
2024-09-28 22:25:15   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

近年来，先进材料的快速发展为气体传感领域带来了革命性的突破，推动了一系列高灵敏度和高选择性气体传感器的问世。在众多新兴材料中，石墨烯和MXene凭借其卓越的性能和多样化的应用潜力，成为了研究热点。

据麦姆斯咨询报道，近期，韩国嘉泉大学（Gachon University）的研究团队在Molecules期刊上发表了一篇题为“A Comparative Review of Graphene and MXene-Based Composites towards Gas Sensing”的综述文章，系统介绍了石墨烯和MXene基复合材料的制备技术，分析了这些材料在气体传感中的应用和传感机制，并对该领域未来发展方向进行了展望。

石墨烯和MXene基复合材料的制备

石墨烯的制备涉及多个步骤。为了提高对特定气体的选择性和特异性，传感器原型中通常会引入导电和半导体纳米材料，例如将石墨烯与氧化锡（SnO₂）和氧化锌（ZnO）等金属氧化物结合，以实现对一氧化碳（CO）和二氧化氮（NO₂）等特定气体的精确检测。这些金属氧化物的半导体特性使得气体分子在其表面吸附时能引起电阻变化，从而提高检测精度。此外，将二硫化钼（MoS₂）和二氧化钛（TiO₂）等材料与石墨烯结合，可显著提高其对氨（NH₃）和硫化氢（H₂S）等气体的灵敏度和选择性。这些纳米复合材料巧妙地结合了石墨烯的高导电性、大比表面积，以及半导体材料的独特电气特性，有效提升了气体传感性能。

图1 （1）激光诱导石墨烯（LIG）传感器的制备过程示意图；（2）激光诱导石墨烯传感器的形态分析

MXene的合成过程复杂多样，其中最常见的方法是从MAX相中选择性地蚀刻A元素（通常是铝或其它第13、14族元素），从而获得二维MXene结构。MXene的层状结构由碳或氮原子层与过渡金属原子层交替排列而成，这种独特的结构对MXene与气体分子的相互作用及其电阻或导电性变化至关重要。MXene表面丰富的官能团（例如-O、-OH和-F）极大地影响了气体分子与MXene的相互作用。气体分子可通过物理吸附或化学反应与MXene表面结合，这种相互作用通过改变能带结构或电荷载流子浓度，进而影响MXene的电子特性。由于具有高导电性和表面改性的灵活性，MXene对周围环境变化极为敏感，从而显著提高了其作为气体传感器的性能。

图2 （1）Ti₃C₂Tx MXene碱化过程示意图；（2）Ti₃C₂Tx MXene的扫描电镜（SEM）图像

石墨烯和MXene基气体传感器

石墨烯基气体传感器具有高灵敏度、快速响应时间和灵活性等优势，特别适用于实时监测甲烷（CH₄）、一氧化碳（CO）和挥发性有机化合物（VOCs）等危险气体。石墨烯易于进行功能化改性，可根据不同工业过程需求进行定制，从而提高安全性并实现对气体泄漏的及时检测。MXene基气体传感器凭借其大比表面积和优异导电性，在低浓度气体检测方面展现出卓越的灵敏度和通用性。研究人员通过将各种形态的石墨烯和MXene结构与聚合物、金属氧化物和其它半导体材料巧妙结合，成功开发出了能够检测不同浓度气体的柔性和刚性传感器原型。

图3 （1）在柔性印刷电路板上制造石墨烯/ZnO复合传感器的示意图；（2）可穿戴式NFC标签系统的示意图

图4 基于3D折纸的MXene NH₃气体传感器

图5 基于激光诱导石墨烯的湿度传感器

石墨烯和MXene基复合材料的气体传感机制

虽然MXene和石墨烯基材料广泛应用于气体传感，但由于其独特的结构、化学和电子特性，它们通常表现出不同的气敏机制。MXene主要依靠表面吸附和电荷转移相互作用进行气体传感，其二维结构、丰富的表面官能团和高导电性是独特之处。此外，通过调节MXene的层间距，可以进一步提高其灵敏度和气体扩散能力。相比之下，石墨烯基材料主要通过气体分子与其表面之间的电荷转移过程实现气体检测，其大比表面积、良好柔韧性和卓越的电学性能是突出优势。通过增加石墨烯中的活性位点、缺陷和官能团，或进行杂原子掺杂，可以进一步提升其灵敏度和选择性。两者的主要区别在于：石墨烯的传感性能主要取决于其本征导电网络和特定官能团或缺陷的引入，而MXene则得益于其可调控的表面化学性质和结构修饰，可以针对特定目标气体进行精确设计。

图6 氧化石墨烯（rGO）/SnO₂纳米复合材料的气敏机制示意图

图7 三氧化钨（WO₃）/Nb₂CTx异质结传感器的传感机制示意图

总结与展望

虽然石墨烯和MXene基复合材料在气体传感领域展现出诸多优势，但仍面临一些亟待解决的挑战。在实际应用中，石墨烯基气体传感器常遇到传感性能恢复不完全的问题，这会造成传感器在反复暴露于分析物中时，灵敏度逐渐下降。另一方面，MXene材料在氧化环境中容易丧失高电导率，这会使其在气体传感实际应用中性能下降，尤其是在富氧或高湿度环境下表现更为明显。针对这些局限性，研究人员们正在积极开展专项研究。

未来的研究重点可能集中在以下几个方面：开发能够同时检测多种气体的多功能传感器，优化材料合成工艺以实现经济高效的规模化生产，集成先进的数据分析和机器学习技术以提高数据分析的准确性，以及全面评估这些传感材料对环境和健康的影响。此外，通过探索柔性电子、自修复技术和纳米技术等前沿领域的协同效应，推动气体传感技术进一步创新，从而实现更加灵活、可靠的新一代气体传感系统。

论文信息：https://doi.org/10.3390/molecules29194558

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