基于Ti3 C2 MXene/TiO2 杂化材料修饰U型光纤传感器的高精度生物柴油水分监测新方法

为解决生物柴油因吸湿性导致的储存稳定性差、传统水分检测方法（如Karl Fischer法）操作复杂且灵敏度不足的问题，研究人员开发了一种Ti3 C2 MXene/TiO2 杂化材料修饰的U型光纤传感器（UOFE）。该传感器通过折射率（RI）变化实现5-10 ppm超低水分检测，灵敏度较传统方法提升3倍，并成功应用于大豆和藻类生物柴油的稳定性监测，为可再生能源质量控制提供了非接触、快速且安全的解决方案。

　　

生物柴油作为化石燃料的绿色替代品，因其可再生性和环保优势备受关注。然而，其酯键易与水发生可逆水解反应，即使微量水分（低至500 ppm）也会加速降解，生成羧酸和醇，导致燃料酸值升高、发动机性能下降。传统检测方法如Karl Fischer滴定需复杂前处理，FTIR和拉曼光谱仅能检测≥500 ppm水分，难以满足实时监测需求。更棘手的是，生物柴油在透明容器或潮湿环境中降解加剧，亟需开发高灵敏度、非接触的在线监测技术。

日本某研究团队在《Analytica Chimica Acta》发表研究，提出了一种基于Ti₃
C₂
MXene/TiO₂
杂化材料修饰的U型光纤传感器（UOFE）。该传感器通过MXene的羟基亲水性和TiO₂
的半导体协同效应，将水分吸附转化为折射率变化，最终以光强信号输出。研究对比了三种UOFE性能，发现200 μm纤芯直径结合MXene/TiO₂
涂层可使传输光谱（TS）降低至4230 mV，灵敏度提升3倍。

关键技术方法

1. 材料合成：通过(NH₄
   )₂
   TiF₆
   溶液选择性蚀刻Ti₃
   AlC₂
   MAX相制备Ti₃
   C₂
   MXene，再与TiO₂
   复合形成多孔杂化薄膜；
2. 传感器构建：将U型光纤弯曲部涂覆MXene/TiO₂
   ，利用倏逝波（EW）增强与水分子的相互作用；
3. 性能验证：以大豆油（第一代）和湿微藻脂质（第三代）生物柴油为样本，测试10-500 ppm水分响应，并采用GC-MS分析脂肪酸甲酯降解产物。

研究结果

1. Ti₃
   C₂
   MXene/TiO₂
   表征：SEM显示MXene层状结构提供水分吸附位点，NH₄
   TiOF₃
   纳米晶包覆形成多孔表面（图4a-d）；
2. 传感器响应：水分浓度与TS呈线性关系，藻类生物柴油在高水分下TS降低30%，GC-MS证实大豆生物柴油酯键更易水解；
3. 对比实验：UOFE检测限低至5 ppm，远超FTIR（≥500 ppm）和拉曼光谱（500 ppm），且无需接触燃料。

结论与意义
该研究首次将MXene/TiO₂
杂化材料与UOFE结合，实现了生物柴油水分的实时、高灵敏度监测。传感器对10-500 ppm水分的线性响应及5 ppm超低检测限，解决了传统方法无法在线应用的瓶颈。通过GC-MS验证，明确水分加速酯键降解的机制，为生物柴油储存条件优化提供依据。未来可拓展至其他易水解燃料的质量控制，推动可再生能源商业化进程。