[发明专利]基于碱化风琴状MXene敏感材料的平面型湿度、氨气传感器及其制备方法

说明书

一种基于碱化风琴状MXene(Ti₃C₂T_x，T代表表面基群终端，x取值于表面各终端比例)敏感材料的平面型湿度、氨气传感器及其制备方法，属于气湿敏传感器技术领域。由带有Au/Ni叉指电极的Al₂O₃陶瓷基板和均匀的滴涂在叉指电极和陶瓷基板上的碱化风琴状MXene(Ti₃C₂T_x)敏感材料组成。本发明以风琴状MXene材料为基础，通过碱化处理风琴状MXene达到去除表面F终端和插入钠离子的目的，对比碱化前后的气湿敏性能，获得具有更高湿度及氨气敏感性能的器件。本发明所得到的传感器具备目前最高的MXene气湿敏响应，并且具有很好的选择性。

技术领域

本发明属于气湿敏传感器技术领域，具体涉及一种以新型碱化风琴状MXene为敏感电极的平面型湿度及NH₃传感器及其制备方法，其主要用于环境湿度及氨气检测。

背景技术

物联网(IoT)是世界上发展最快的信息技术之一。作为信息采集的前端，传感器的重要性和需求日益突出。目前，用于环境监测和生理检测的传感器种类繁多。其中，基于特殊检测机制的化学气体传感器在监测大气环境中的有毒有害气体和监测医疗诊断治疗中的呼吸标志气体方面越来越受到重视。因此，气体传感器作为大数据时代发展的重要信息采集设备，具有广阔的应用前景。

为了获得低功耗的高性能气体传感器，人们广泛期待石墨烯、过渡金属二硫代和黑磷等二维(2D)材料。MXenes是Yury等人首先合成的一种新型二维材料，是二维过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物的缩写。中间层(如铝、硅、锡、铟等)通过氢氟酸或氟化锂与盐酸的混合物刻蚀从MAX陶瓷材料除去，从而获得分层MXene，分子式为M_n+1X_nT_z,M代表过渡金属(如钛、钒、铬、锰等),X代表C或N元素,T代表表面基群终端(如O^2-,OH^-,F^-NH₂^-NH₄⁺等)。MXene的后缀“ene”强调了它们与石墨烯的相似性。MXenes具有比表面积大，导电性好，元件灵活，纳米层厚度可调等优点，广泛应用于锂、钠储能系统、电磁干扰(EMI)屏蔽、水净化等领域。与其他许多二维材料相比，MXene气体传感器具有超高的信噪比。我们利用最容易得到的MAX陶瓷材料Ti₃AlC₂合成了制备路线最成熟的Ti₃C₂T_x。

与目前广泛使用的二维片状Ti₃C₂T_x相比，具有风琴状结构的未分层Ti₃C₂T_x具有较高的比表面积，具有较大的气体吸附表面，这种独特的结构可以作为一种很好的气体敏感材料载体。以氟盐加盐酸为刻蚀液的制备方法可获得较致密的层状结构，但其风琴状结构不稳定，部分可能通过晃动分散。因此，我们选择高浓度氢氟酸刻蚀，以获得更稳定的风琴状结构。而氢氟酸制备的Ti₃C₂T_x表面-F终端含量将占很大比例。根据之前的工作，Ti₃C₂T_x的导电性受到湿度和气体的影响。表面-O和-OH终端多的Ti₃C₂T_x会具有更好的气体吸附性能，尤其是对氨气。