Advanced Functional Materials封面论文：边缘富集的Mo2TiC2Tx/MoS2异质结构用于NO2气体高选择检测

01 导读

过渡金属碳/氮化物（MXene）二维材料自2011年发现以来，由于独特的层状结构、可调节的导电性与丰富的端基，在各个领域备受关注。碳化钛（Ti₃C₂T_x）作为典型的MXene材料，因其优异的导电性、高产量和易刻蚀，在传感器技术领域被广泛报道。然而，研究表明Ti₃C₂T_x基气体传感器不仅对NH₃、NO₂等无机气体敏感，而且对挥发性有机化合物（VOCs）敏感。气体之间的交叉干扰可导致传感器的错误识别和量化。同时，先前的理论计算表明Ti₃C₂T_x对NH₃、NO₂等气体具有较小的吸附能。因此，针对有毒有害NO₂气体，在种类丰富的MXene族中开发一种高选择、高灵敏的MXene材料仍是一个挑战。

02 成果掠影

近日，电子滚球体育 大学太惠玲教授和中南大学欧阳方平教授等人报道了一种用于NO₂检测的具有边缘富集异质结构的Mo₂TiC₂T_x/MoS₂。DFT理论计算表明双金属MXene材料Mo₂TiC₂T_x对NO₂气体分子表现出超强的吸附特性，吸附能可达−3.12 eV。通过界面调制将其与MoS₂耦合形成边缘富集的异质结构。得益于复合材料的强吸附、丰富吸附位点与异质界面的协同作用，制备的气体传感器对NO₂气体表现出高灵敏与高选择。进一步地，搭建了基于Mo₂TiC₂T_x/MoS₂气体传感器的便携式无线NO₂监测系统，可用于气体泄漏搜索和危险报警。相关研究成果以题为“Edge‐Enriched Mo₂TiC₂T_x/MoS₂Heterostructure with Coupling Interface for Selectively NO₂Monitoring”发表于Advanced Functional Materials，并被选为封面论文。

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03 核心创新点

结合Mo₂TiC₂T_x的强吸附与 MoS₂的边缘富集结构，提出了一种具有耦合界面Mo₂TiC₂T_x/MoS₂异质结构以开发高选择、高灵敏的 NO₂气体传感器。

04 数据概览

图1（a）Mo₂TiC₂T_x/MoS₂复合材料合成示意图。（b）气体传感组件。

图2（a-c）Mo₂TiC₂T_x的SEM、TEM与HRTEM图像。（d-e）MoS₂的SEM与HRTEM图像。（f-j）Mo₂TiC₂T_x/MoS₂复合材料的SEM、TEM、HRTEMs图像，SAED衍射图与TEM元素映射图像。

图3 （a）Mo₂TiAlC₂、Mo₂TiC₂T_x、MoS₂和复合材料的XRD图谱。（b-c） Mo₂TiC₂T_x、MoS₂和复合材料的拉曼光谱与FTIR光谱。（d）Mo₂TiC₂T_x和Mo₂TiC₂T_x/MoS₂复合材料的Ti 2p的 HRXPS光谱。（e-f）Mo₂TiC₂T_x、MoS₂与Mo₂TiC₂T_x/MoS₂复合材料的C 1s与Mo 3d的 HRXPS光谱。

图4（a）Mo₂TiC₂T_x、MoS₂、Mo₂TiC₂T_x/MoS₂基气体传感器对2–50 ppm NO₂的电阻响应曲线。（b）Mo₂TiC₂T_x/MoS₂传感器对200–1000 ppb NO₂的电阻响应曲线。（c）线性拟合曲线。（d）传感器对2.5 ppb NO₂的电阻响应曲线。（e）传感器对10 ppm和50 ppm NO₂的重复性曲线。（f）传感器在10 ppm和50 ppm NO₂下的响应/恢复时间。（g）放大的响应曲线。（h）湿度对10 ppm NO₂气体响应的影响。（i）稳定性测试曲线。

图5（a）Mo₂TiC₂T_x、MoS₂和Mo₂TiC₂T_x/MoS₂基传感器对多种气体的选择性响应。（b）Mo₂TiC₂T_x与MoS₂对多种气体的吸附能。（c）复合材料对多种气体的吸附能。（d-f）Mo₂TiC₂T_x，MoS₂与Mo₂TiC₂T_x/MoS₂复合材料对NO₂分子吸附模型的俯视图和侧视图。

图6. 敏感机理示意图。

图7（a）无线传感系统原理图。（b）无线传感系统对5、10、50 ppm NO₂的反馈结果。（c）遥控车装载测试电路、气体传感器与电池的光学照片。（d）无线传感系统在有害气体监测中的应用示意图。（e-g）用于气体泄漏报警的光学照片。

05 成果总结

综上所述，研究人员提出了一种对 NO₂气体分子具有超强表面吸附的高活性Mo₂TiC₂T_x，并通过界面调制进一步与MoS₂耦合，以构建边缘富集的异质结构。得益于Mo₂TiC₂T_x/MoS₂复合材料的强吸附、丰富吸附位点和耦合界面的协同作用，制备的气体传感器对NO₂具有高选择性，并通过密度泛函理论计算证实。同时，该传感器在室温下表现出高灵敏度、超低检测限与优异的可逆性。最后，搭建了便携式无线NO₂监测系统，用于气体泄漏搜索和危险报警。这项工作拓展了双金属MXene的气体传感应用，并为环境监测和安全保障中无线传感系统的发展提供了一条途径。

原文详情

Zhao, Qiuni, Wenzhe Zhou, Mingxiang Zhang, Yang Wang, Zaihua Duan, Chaoliang Tan, Bohao Liu, Fangping Ouyang*, Zhen Yuan*, Huiling Tai*, Yadong Jiang (2022). Edge‐Enriched Mo₂TiC₂T_x/MoS₂Heterostructure with Coupling Interface for Selectively NO₂Monitoring. Advanced Functional Materials, 2203528.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202203528