文献信息
Nano-micro Letter
https://doi.org/10.1007/s40820-024-01484-4
摘要
本研究提出利用N，C配位的Ni单原子活性位点（Ni - N - C）集成在二维MXene纳米片（Ti3C2Tx）表面，构建全柔性气体传感器（MNPE-Ni-N-C/Ti3C2Tx）以检测氨（NH3）痕量。该传感器对NH3具有高灵敏度和选择性，理论检出限低至12.1 ppb。通过密度泛函模拟分析，Ni单原子中心对NH3具有靶向吸附性能，并能催化活化反应，降低吉布斯自由能。传感器具有双通道传感机制，并通过钝化MXene边缘缺陷提高了长期稳定性。本研究为室温微量气体检测提供了一种新的气敏机理。
引言
呼气中氨浓度的变化对疾病预防和早期干预具有重要意义，但现有柔性化学气体传感器在高灵敏度、选择性和稳定性方面仍面临挑战，尽管它们具有便携性和非侵入性的优势。本文介绍了一种基于纸张的全柔性传感器，用于室温下检测低浓度氨（NH3），具有高灵敏度、选择性和稳定性。该传感器采用静电吸附策略制备的N，C配位Ni单原子（Ni - N - C/Ti3C2Tx）界面约束的Ti3C2Tx - mxene，对NH3响应高。其高气敏性能主要归因于N，C配位Ni单原子活性位点的催化活化和靶向吸附性能，以及化学敏化和电子敏化双通道传感机制。此外，通过共轭氢键网络封端钝化效应提高了传感器的长期稳定性。这项工作为开发高性能柔性气体传感器提供了重要见解，并扩展了MXene和SAC的潜在应用。
Ni-N-C /Ti3C2Tx的合成与表征
图1 Ni-N-C /Ti3C2Tx的制备工艺及结构表征。a Ni-N-C /Ti3C2Tx的制备工艺。b-d Ni-N-C /Ti3C2Tx化合物的高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像。e Ni - N - C/Ti3C2Tx化合物的C、N、Ni和钛（Ti）元素的能谱图（EDS）。f N-C、Ni - N-C、Ni NPs/ N-C和Ni - N-C /Ti3C2Tx化合物的x射线衍射（XRD）。g扩展x射线吸收精细结构（EXAFS）光谱的傅立叶变换（FT） k3加权c(k)函数。h镍k -边缘x射线吸收近边缘结构（XANES）光谱。i Ni-N-C /Ti3C2Tx对应的EXAFS拟合曲线。下面是建议的NiN4架构。
气体传感器检测低浓度NH3的性能
AuE-Ni-N-C /Ti3C2Tx气体传感器检测低浓度NH3的性能 a AuE - N-C、AuE - Ni - N-C、AuE - Ni NPs/ N-C和AuE - Ni - N-C /Ti3C2Tx传感器的I-V曲线。b检测上述四个传感器在室温下暴露于5ppm NH3时的瞬态。c上述四种传感器在室温下对5ppm NH3的恢复时间比较。d AuE - Ni-N-C /Ti3C2Tx传感器在1、5和10 ppm NH3下的重复性。e不同NH3浓度下AuE-Ni-N-C /Ti3C2Tx传感器实验实时气体响应曲线。插图是AuE-Ni-N-C /Ti3C2Tx传感器在室温下对不同NH3浓度（1 ~ 50ppm）的响应函数。f室温下不同相对湿度（RH）下AuE-Ni-N-C /Ti3C2Tx传感器对5ppm NH3的响应比较。
ME-Ni-N-C /Ti3C2Tx和MNPE-Ni-N-C /Ti3C2Tx气体传感器检测低浓度NH3的性能 a AuE-Ni-N-C、AuE-Ni-N-C /Ti3C2Tx、ME-Ni-N-C、ME-Ni-N-C /Ti3C2Tx和MNPE-Ni-N-C /Ti3C2Tx传感器的I-V曲线。插图为AuE-Ni-N-C、ME-Ni-N-C、ME-Ni-N-C /Ti3C2Tx和MNPE-Ni-N-C /Ti3C2Tx传感器放大后的I-V曲线。b检测上述五个传感器在室温下暴露于5ppm NH3时的瞬态。c上述五种传感器在室温下对5ppm NH3的恢复时间比较。d MNPE-Ni-N-C /Ti3C2Tx传感器对NH3浓度的响应曲线。e室温下不同相对湿度下MNPE-Ni-N-C /Ti3C2Tx传感器对5 ppm NH3的响应比较。f MNPE-Ni-N-C /Ti3C2Tx传感器对不同气体（5 ppm NH3、50 ppm二氧化氮（NO2）、二氧化碳（CO2）、一氧化氮（NO）、氢气（H2）、丙酮饱和蒸汽和乙醇饱和蒸汽）的选择性。
结论
这段话总结了一种新型的全柔性MNPE复合Ni-N-C/Ti3C2Tx纸基气体传感器，它具有高灵敏度、选择性和稳定性。与传统Au金属电极气体传感器相比，该传感器在室温下对NH3的气敏性能显著提高，归因于催化活化效应和Ti3C2Tx-MXene的化学和电子敏化双通道传感机制。此外，该传感器还表现出优异的稳定性，主要归功于MXene边缘缺陷的封端钝化作用和良好的欧姆接触。这种传感器为呼吸道疾病的早期非侵入性诊断提供了巨大希望，为开发高性能气体传感器提供了一种突破性的方法。
