摘要
近年来随着化工产业的高度发展和化石能源的大量消耗，废气排放造成的空气污染和温室效应已严重威胁到人类的身体健康和生活环境。因此，对大气和室内环境中有害气体进行精准的实时监测显得愈发重要。气体传感器是一类可以将单种或多种气体混合物的成分和浓度变化转换为电学信号的电子器件，是识别感知气体以进行合理防控治理的主要方式之一。众所周知，气体传感器的性能主要取决于敏感材料，传统的金属氧化物半导体气体传感器存在工作温度高、灵敏度较低、气体选择性和稳定性差等问题，最近，二维（2D）金属碳/氮化物MXene特别是最受欢迎的Ti3C2Tx由于其大比表面积、良好的电子传输效率和丰富的活性官能基团越来越受到国内外研究者的关注。据此，本研究基于2D MXene，通过功能性表面修饰，如原子掺杂和与外来材料的复合，研究了一系列敏感材料。通过喷涂工艺和后加热处理，在平面叉指电极表面沉积敏感薄膜，制备了多种电阻式室温气体传感器，有效地提高了特定气体检测的灵敏度和选择性，降低了检测限。同时，对气敏性能提高的原因和气敏机理进行了解释。主要内容如下： 1）基于MXene Ti3C2Tx的甲醛（HCHO）气敏性能研究：首先，通过尿素参与的溶剂热反应合成了氮掺杂MXene（N-MXene），然后通过还原氧化石墨烯（rGO）和二氧化钛（TiO2）纳米颗粒进一步改性，称为rGO/N-MXene/TiO2三元复合材料，系统地比较了不同组分气体传感器的性能以及不同相对湿度下对HCHO的响应波动；然后，在最佳湿度下进行了重复性、浓度梯度、长期稳定性、气体选择性等性能指标测试；最后，对气体传感机理进行了详细的解释。 2）基于MXeneTi3C2Tx的二氧化碳（CO2）气敏性能研究：首先，基于聚醚酰亚胺（PEI）对CO2的独特敏感性采用喷涂法在叉指电极上制备了rGO/N-MXene/PEI三元复合薄膜，将三元复合材料与原始MXene、N-MXene、以及不同组合的二元复合材料进行了对比研究。此外，通过改变PEI组分含量提升了传感器对CO2的传感特性；然后，对湿度增强传感器响应进行了系统的研究，并在最佳相对湿度下，完成了器件的一系列性能测试；最后，通过描述传感器在干燥和潮湿环境下的化学吸附变化，揭示了气敏机理。 3）基于MXene Ti3C2Tx的氨气（NH3）气敏性能研究：鉴于前两个工作中N-MXene在传感器性能提升方面的突出表现，对MXene的氮掺杂过程进行了系统的研究，发现随着氮掺杂时间的增加，MXene骨架上的Ti层首先被部分氧化成小的TiO2纳米颗粒，然后粗化，最后变得平滑和致密。同时，锐钛矿型和金红石型TiO2界面同质结的构成提高了材料的电荷传输能力。继而设计出一种具有良好重复性、长期稳定性和NH3选择性的室温气体传感器N-MXene-18。此外，通过组装防水透气的PTFE膜削弱了湿度对器件响应波动的影响，增强了耐湿度和环境稳定性。最后，对N-MXene材料的NH3敏感机理进行了分析。 本论文研究工作的实验结果表明：Ti3C2Tx MXene的氮掺杂处理可以提高其气体吸附能力和电荷传输能力，并且通过进一步与其他敏感材料混合，可以实现室温选择性气体检测。由此可见，二维金属碳/氮化物尤其是Ti3C2Tx在室温气体传感领域有良好的应用前景，本文所提出的敏感材料设计方案和传感机理解析为MXene衍生材料在可穿戴、低功耗气体传感系统领域的进一步发展提供了丰富的数据和理论支撑。
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