通过类似柳树的多孔纳米片组装的分层SnO?结构的合成，用于气体传感应用

《Microchemical Journal》：Synthesis of hierarchical SnO 2 structures assembled by willow-like porous nanosheets for gas sensing applications

基于MXene/NiCoOH复合材料的氨气传感性能研究采用水热法制备花状MXene/NiCoOH复合物，通过XRD、FESEM、TEM和XPS表征证实材料合成与结构特性，比表面积增大提供更多活性吸附位点，在1ppm NH3下响应值达61%，较纯MXene提升13倍，响应/恢复时间分别为24s/160s，检测限0.32ppm，选择性优异且长期稳定性良好，机理涉及表面吸附与能带调控协同效应。

　　MXenes，尤其是Ti?C?T?，因其较大的比表面积、优异的导电性和可调的性能，在气体传感领域展现出了巨大的潜力。然而，现有的MXene基传感器仍面临一些关键挑战，如响应度较低、基线漂移以及恢复性能不佳等问题，这些限制了其在实际环境中的应用。为了解决这些问题，研究者们尝试通过引入其他材料，如金属氢氧化物、金属氧化物或二维材料的复合体系，来提升MXene基传感器的性能。其中，镍钴氢氧化物（NiCoOH）因其丰富的活性位点和强催化活性，被认为是增强氨气（NH?）检测性能的有希望材料。因此，构建一种由MXene与NiCoOH组成的复合材料，成为提高氨气检测性能的一种有效策略。

本研究采用了一种简单且高效的一步水热法，成功合成了具有花状结构的MXene/NiCoOH复合材料，并将其用于氨气检测传感器的制备。通过X射线衍射（XRD）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）、透射电子显微镜（TEM）和X射线光电子能谱（XPS）等多种表征手段，验证了MXene/NiCoOH复合材料的成功合成。结果显示，该复合材料的比表面积显著高于纯Ti?C?T?，这为氨气的吸附提供了更多的活性位点。此外，MXene/NiCoOH复合材料在电子相互作用和层状结构方面表现出协同效应，使得其在室温下对氨气具有更高的灵敏度和选择性。

实验结果表明，优化后的30 wt% MXene/NiCoOH复合材料基传感器在检测1 ppm的氨气时，其响应值从纯MXene的4.6%显著提升至61%。这表明，MXene/NiCoOH复合材料在提高氨气检测性能方面具有显著优势。同时，该传感器的响应时间与恢复时间分别为24秒和160秒，其检测限可达到0.32 ppm，这使得其在实际环境中具有较高的应用价值。这些性能的提升主要归因于复合材料独特的形貌、丰富的氧空位以及较大的比表面积。这些特性不仅增强了氨气分子在材料表面的吸附能力，还提高了传感器对氨气的响应速度和稳定性。

氨气作为一种常见的挥发性有机化合物，在工业、农业和日常生活中广泛应用。例如，在肥料生产、工业制冷剂和氮化合物的制造过程中，氨气是重要的原料之一。然而，氨气在空气中与氮氧化物（NO?）和硫氧化物（SO?）等污染物反应，生成PM10和PM2.5等微粒，这些微粒可能通过呼吸进入人体肺部，从而引发呼吸道疾病和肺部相关疾病。因此，对空气中氨气的高灵敏度检测，对于环境保护、人体健康保护以及排放控制具有重要意义。此外，由于氨气具有一定的毒性和可燃性，及时检测其浓度可以有效预防潜在的健康危害和安全事故。

相比于其他气体检测方法，基于化学电阻的氨气传感器因其体积小、灵敏度高、响应速度快以及结构简单等优势，成为一种理想的检测手段。化学电阻传感器的工作原理是基于气体分子与固态材料之间的电荷交换所引起的电阻变化。这种变化可以作为检测气体存在的依据。目前，金属氧化物半导体（MOS）基传感器因其成本低和响应度高，被广泛应用于氨气检测领域。然而，传统MOS基传感器通常需要在高温下运行，这不仅增加了能耗，也限制了其在某些应用场景中的使用。因此，研究者们正在探索如何通过引入二维材料，如MXene、石墨烯、过渡金属二硫化物（TMDs）等，来降低MOS基传感器的工作温度，从而提升其在常温下的检测性能。

MXene作为一种二维过渡金属碳化物或碳氮化物，因其高比表面积、优异的导电性和可调的化学性质，被认为是一种理想的氨气检测材料。近年来，已有研究表明，基于Ti?C? MXene的传感器可以在常温下检测多种有毒气体。例如，Lee等人研究了Ti?C?T?纳米片的气体传感性能，并发现其表现出p型传感行为。Zou等人则利用了具有不同形貌的MXene@NiMo-P复合材料，其在检测氨气时表现出最高的响应度，并能够有效区分氨气与其他气体。此外，Han等人还展示了MXene/石墨烯混合纤维的气体传感器，其在常温下对氨气的检测性能得到了显著提升。

尽管如此，这些传感器仍存在一些问题，如响应度较低、恢复时间较长以及基线漂移等，这些问题限制了其在实际环境中的应用。因此，研究者们正在寻求更有效的材料组合，以解决这些问题。NiCoOH作为一种具有丰富活性位点和强催化活性的材料，被认为是提升氨气检测性能的重要候选。通过将NiCoOH与MXene结合，可以充分发挥两者的协同效应，从而提升传感器的性能。本研究采用一步水热法，成功合成了MXene/NiCoOH复合材料，并将其用于氨气检测传感器的制备。

该复合材料的结构和性能得到了系统的表征和分析。XRD分析结果显示，NiCoOH在特定角度（如19.1°、33.0°、38.4°等）的衍射峰对应于其不同的晶面结构，表明其晶体结构得到了有效维持。MXene的衍射峰则出现在不同的角度（如8.6°、18.6°、27.6°），与Ti?AlC?的衍射图谱不同，这表明MXene的形成过程较为彻底。此外，FESEM和TEM图像显示，MXene/NiCoOH复合材料具有独特的花状结构，这种结构不仅增加了材料的比表面积，还为氨气分子提供了更多的吸附位点。XPS分析进一步证实了复合材料中元素的化学状态，表明NiCoOH与MXene之间存在有效的电子相互作用。

在性能测试方面，MXene/NiCoOH复合材料基传感器表现出优异的检测性能。在检测1 ppm的氨气时，其响应值显著高于纯MXene，达到了61%。同时，该传感器在检测过程中表现出良好的重复性和长期稳定性，这表明其在实际应用中具有较高的可靠性。此外，该传感器的响应时间与恢复时间分别为24秒和160秒，这一响应速度在常温下具有优势，使得其能够快速检测氨气的存在。检测限达到0.32 ppm，表明该传感器具有较高的灵敏度，能够检测极低浓度的氨气。

通过进一步分析，研究者们提出了该传感器的可能检测机制。该机制基于氨气分子在MXene/NiCoOH复合材料表面的吸附与脱附过程，以及材料的能带结构。MXene的层状结构和丰富的氧空位为氨气分子的吸附提供了有利条件，而NiCoOH的强催化活性则促进了氨气分子的脱附过程。这种协同效应使得传感器在检测氨气时表现出更高的灵敏度和响应速度。此外，MXene与NiCoOH之间的电子相互作用也影响了传感器的导电性，从而提高了其检测性能。

这些研究结果表明，通过引入NiCoOH与MXene的复合体系，可以有效提升氨气检测传感器的性能。MXene/NiCoOH复合材料不仅具有较高的比表面积和丰富的活性位点，还能够通过电子相互作用和催化活性，增强氨气的吸附与脱附过程。因此，该复合材料被认为是具有潜力的氨气检测材料，能够用于实际环境中的氨气监测。此外，该传感器在常温下运行，不仅降低了能耗，还提高了其在实际应用中的可行性。

在实际应用方面，MXene/NiCoOH复合材料基传感器可以用于环境监测、工业安全、医疗诊断等多个领域。例如，在空气质量监测中，该传感器可以实时检测空气中的氨气浓度，为环境治理提供数据支持。在工业安全领域，该传感器可以用于检测生产过程中的氨气泄漏，从而预防安全事故的发生。在医疗诊断方面，该传感器可以用于检测人体呼出气体中的氨气浓度，从而辅助疾病的早期诊断。此外，由于该传感器具有较低的成本和简单的结构，其在大规模应用中具有较高的经济可行性。

为了进一步提升该传感器的性能，研究者们还对材料的制备工艺进行了优化。例如，通过调整水热反应的温度、时间和试剂浓度，可以有效控制MXene/NiCoOH复合材料的形貌和结构。此外，对复合材料的后处理工艺也进行了优化，以去除可能影响检测性能的杂质。这些优化措施不仅提高了传感器的性能，还降低了其制备成本，使其更适用于实际应用。

综上所述，MXene/NiCoOH复合材料基传感器在氨气检测领域展现出了显著的优势。通过一步水热法，成功合成了具有花状结构的复合材料，并将其用于传感器的制备。该传感器在检测性能、响应速度、恢复能力和选择性等方面均表现出优异的特性。这些研究结果不仅为氨气检测提供了新的思路，也为其他气体检测传感器的设计和开发提供了参考。未来，随着材料科学和传感技术的不断发展，MXene/NiCoOH复合材料基传感器有望在更多领域得到应用，并为环境保护、工业安全和医疗诊断等提供更加可靠的技术支持。