【摘 要】
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MXene是一种新型二维晶体材料,较高的比表面积和丰富的表面官能团使其具有室温下敏感检测气体的能力。但关于MXene气敏方面的研究现在仍处于初级阶段,包括气敏响应机理等一些基础问题还没有得到明确统一的解释。本文主要研究二维晶体Ti3C2Tx和V2CTx MXenes的制备及其气敏性能。本文首先对Ti3C2Tx MXene(Tx表示表面官能团)进行室温气敏性能测试。通过插层和长时间超声得到单/少层的
【基金项目】
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国家自然科学基金; 河南省科技创新团队; 河南理工大学创新型科研团队项目;
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MXene是一种新型二维晶体材料,较高的比表面积和丰富的表面官能团使其具有室温下敏感检测气体的能力。但关于MXene气敏方面的研究现在仍处于初级阶段,包括气敏响应机理等一些基础问题还没有得到明确统一的解释。本文主要研究二维晶体Ti3C2Tx和V2CTx MXenes的制备及其气敏性能。本文首先对Ti3C2Tx MXene(Tx表示表面官能团)进行室温气敏性能测试。通过插层和长时间超声得到单/少层的Ti3C2Tx纳米片并对材料微观形貌进行多种表征和分析,之后将单层Ti3C2Tx(SL-Ti3C2Tx)涂覆在陶瓷管上进行室温气敏检测。气敏测试结果显示:对测试的8种气体,SL-Ti3C2Tx传感器表现出室温下对氨气的高选择性。选择含有O端基的官能团,以Ti3C2O2为模型进行计算,结果显示Ti3C2O2对NH3是化学吸附作用,而对其他气体相互作用相对较弱;另外,进行的理论计算也证实了Ti3C2O2传感器对NH3的响应要远远高于对其他气体的响应。实验和计算得知Ti3C2Tx MXene是室温检测NH3的良好候选传感材料。V2CTx是另外一种MXene,较高的形成能使其难以得到高纯度的样品,为了得到高纯且层状结构更好的材料以研究气敏性能,本文对V2CTx的制备工艺进行研究,分别在油浴锅(开放式环境,OE)和水热反应釜(封闭式环境,CE)环境中制备V2CTx MXene,并研究了温度、时间和刻蚀溶液等因素在两种环境中的影响,之后对其中具有代表性的4个V2CTx MXene样品进行电化学性能测试。结果表明:与OE相比,在CE中进行刻蚀可以得到纯度更高和分层形貌更好的V2CTxMXene;电化学性能测试表明相比于比表面的增加,层间距的增大更有利于增加实际有效活性面积提高V2CTx的电容量。然后,对不同刻蚀溶液制备的V2CTx MXene进行室温气敏检测。不同刻蚀溶液包括:Li F+HCl,Na F+HCl和HF。HF制备的V2CTx对所有检测气体呈现正响应,而氟盐与盐酸制备的V2CTx对几乎所有的检测气体呈现负响应,不同刻蚀液制备的V2CTx也对不同气体显示出最高响应。根据XPS和SEM-EDS分析,以及Ti3C2Cl2和Na-Ti3C2Tx气敏检测辅助分析,Cl/F比对MXene的气敏性能有很大影响。
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