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河北工业大学在柔性VOCs气体传感器研究方面取得新进展

  挥发性有机化合物(VOCs)在日常的生活、工作、及工厂作业等环境中无处不在,此外,患有一些疾病如糖尿病的病人在呼吸过程中也会呼出丙酮等有机气体。然而目前广泛研究的VOC传感材料主要集中于金属氧化物半导体(MOS),该类材料在传感过程中通常需要100℃以上的工作温度,不仅能耗高,同时也会带来安全隐患。目前,常用生物医学方法检测VOCs主要采用昂贵的大型仪器,严重限制了其广泛的实际应用。鉴于此,河北工业 大学材料科学与工程学院苑文静副研究员、殷福星教授团队研发出一种基于三维Mxene框架(3D-M)的高性能柔性VOCs化学电阻型传感器,可在室温下检测极宽浓度范围的VOCs。相关研究成果以“A flexible VOCs sensor based on a 3D Mxene framework with a high sensing performance”为题,近期发表于Journal of Materials Chemistry A。

  Mxene作为一种新兴的二维前过渡金属碳化物/氮化物,具备高比表面积、本征金属电导率和良好的稳定性,是一种优异的气体传感材料。该研究通过静电纺丝技术在叉指电极表面制备带有正电荷的聚合物三维纤维骨架,利用静电作用将表面带有负电的Mxene片层组装在三维骨架间表面,形成3D-M。三维聚合物结构可提供高度互连的多孔结构,有利于有机气体分子的扩散,吸附和脱附。此外,由于Mxene表面具有丰富的–OH, –O, –F等官能团,主元素与表面修饰元素原子个数比 [(C+Ti)/(O + F)]为2.53,丰富的修饰官能团可进一步为气体分子提供活性吸附位点。同时,通过自组装技术可获得极薄(单层或寡层)的Mxene传感层,具有更大的比表面积,可以有效的使活性吸附位点全部都暴露出来。该传感器可以在室温下连续工作,对微量极性有机气体(丙酮、甲醇和乙醇)具有高灵敏度 (0.10~0.17 ppm-1),低检测限 (50 ppb),快速响应和脱附速率 (小于2 min),极宽的传感范围 (从ppb级别至饱和蒸气),以及良好的重复性和可靠性。同时,该传感器可在室温条件操控和使用,并具有良好的柔性,有望集成于便携式可穿戴设备。

  图1. (a) 3D-M的制备过程示意图;(b) 3D-M的SEM图像

  图2. 3D-M气体传感器对不同浓度丙酮的动态响应曲线

  文章总结与展望:采用一种简便可行的方法,开发了一种高效的柔性VOCs传感器,可用于检测微量挥发性有机气体。对丙酮、乙醇、甲醇同时具有优异的传感性能,具备良好的实用性和可靠性。同时,该传感器可在室温下进行工作,为开发实用的可穿戴VOCs传感器提供了广阔的前景。该研究项目得到了国家自然科学基金 (No. 51702084) 的资助。

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