为氨气检测带来革命性突破：MOF/MXene传感器的创新应用

原创

来源：曹璐璐

2025-03-27 16:21:19

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核心提示：近年来，基于金属有机框架（MOF）和MXene的化学电阻型传感器因其优异的性能而受到广泛关注。本文将详细介绍一种新型的MOF/MXene传感器，该传感器能够在室温下实现对氨气的超低ppb级检测。

引言

氨气（NH₃）是一种重要的工业气体，广泛应用于农业、化工、食品加工等领域。然而，氨气的泄漏不仅会对环境造成严重污染，还会对人体健康产生危害。因此，开发一种能够在室温下快速、准确检测氨气的传感器具有重要意义。近年来，基于金属有机框架（MOF）和MXene的化学电阻型传感器因其优异的性能而受到广泛关注。本文将详细介绍一种新型的MOF/MXene传感器，该传感器能够在室温下实现对氨气的超低ppb级检测。

研究背景

氨气是一种具有强烈刺激性的有毒气体，其检测对于保障工业安全和环境监测至关重要。传统的氨气检测方法如化学发光法和气相色谱法虽然准确度高，但设备复杂、成本高昂且难以实现便携化。因此，开发一种低成本、高灵敏度的氨气检测技术成为研究的热点。金属氧化物基化学电阻型传感器因其优异的灵敏度和实时检测能力而被广泛研究，但其选择性和高温操作限制了其实际应用。近年来，MOF和MXene的结合为室温下氨气检测提供了新的可能性。

研究方法与设计

研究团队设计了一种基于ZIF-67（一种MOF）和Ti₃C₂T_xMXene的复合材料，通过表面配体交换过程制备出一种具有高灵敏度和湿度容忍性的化学电阻型氨气传感器。该传感器的设计思路如下：

1、MXene基底：MXene是一种二维材料，具有优异的化学、物理和电子性能，能够为气体吸附提供良好的平台。

2、MOF修饰：ZIF-67被选择作为MOF，其对氨气具有高选择性吸附能力。通过在MXene表面修饰ZIF-67，可以提高传感器对氨气的吸附能力和选择性。

3、表面配体交换：通过表面配体交换反应，将ZIF-67的外壳修饰为疏水性，从而提高传感器的湿度稳定性，使其能够在不同湿度环境下稳定工作。

实验结果

1、结构与形貌表征：通过XRD、FTIR、拉曼光谱和XPS等手段对MOF/MXene复合材料的结构和表面特性进行了详细表征。结果显示，ZIF-67成功负载在MXene表面，并且经过表面配体交换后，材料的疏水性显著提高。

2、气体检测性能：在室温下，MOF/MXene传感器对氨气的检测表现出优异的性能。其响应值（DR/Rg）在1 ppm氨气浓度下达到6.9，理论检测限为12.8 ppb，显示出极高的灵敏度和选择性。此外，该传感器在不同湿度条件下的响应变化较小，表现出良好的湿度容忍性。

3、选择性测试：MOF/MXene传感器对氨气具有良好的选择性，对其他挥发性有机化合物如乙醇、丙酮等的响应较低。这主要得益于ZIF-67对氨气的高选择性吸附以及MOF与MXene之间的肖特基结促进了有效的电荷传输。

潜在应用前景

MOF/MXene传感器的开发为氨气检测提供了一种新的解决方案，具有以下优势：

1、高灵敏度与低检测限：能够在室温下实现对氨气的超低ppb级检测，适用于对氨气浓度要求较高的场合。

2、湿度容忍性：经过表面配体交换处理后，传感器在不同湿度环境下仍能保持稳定的检测性能，适用于复杂的工业环境。

3、快速响应与恢复：传感器对氨气的响应和恢复时间较短，能够实现快速检测，适合实时监测。

4、便携性与低成本：相较于传统的检测设备，MOF/MXene传感器具有体积小、重量轻、成本低等优点，便于携带和大规模应用。

未来，随着进一步的优化和改进，MOF/MXene传感器有望在工业安全监测、环境质量检测、食品安全等领域得到广泛应用，为保障人类健康和环境安全提供有力支持。

结论

MOF/MXene传感器作为一种新型的氨气检测材料，凭借其优异的性能和广阔的应用前景，为氨气检测领域带来了革命性的突破。其独特的结构设计和表面修饰策略，使其在室温下实现了对氨气的高灵敏度、高选择性和湿度容忍性检测。这一研究成果不仅丰富了MOF和MXene在传感器领域的应用，也为未来开发更多高性能气体检测材料提供了新的思路和方法。

图1. 在MXene混合异质结构上制备疏水性MOF的示意图

图2. (a) MXenes、(b和c) H-ZIF-67和(d和e) H-MOF₆/MXene的SEM图像。(f) TEM（插图显示MXenes上MOF的HRTEM图像）、(g) TEM 元素映射，以及 (h) H-MOF₆/MXene的Ti、C、F、O、N和Co的EDAX光谱。

图3. (a) 不同MXene混合物的I-V特性。(b) O 1s XPS光谱和(c) H-MOF₆/MXene在空气中以及在室温下暴露于NH₃后的FTIR光谱。(d) 异质结构组装前后MXene和MXene上MOF的能量图。(e) H-MOF₆/MXene异质结构的气体传感机制示意图。(f) H-MOF₆/MXene异质结构在空气中以及在传感表面上与NH₃相互作用后的能带图。

参考文献：Ranjith, K. S., Sonwal, S., Mohammadi, A., Raju, G. S. R., Oh, M.-H., Huh, Y. S., & Han, Y.-K. (2024). Imparting hydrophobicity to a MOF on layered MXene for the selective, rapid, and ppb level humidity-independent detection of NH₃ at room temperature. Journal of Materials Chemistry A. DOI: 10.1039/d4ta04656k