[发明专利]MXene和TiO2

说明书

本发明属于电子元器件技术领域，提供了一种MXene和TiOsubgt;2/subgt;复合材料的氨气气体传感器及制备方法。该氨气气体传感器由气体敏感材料和叉指电极板构成，气体敏感材料均匀一致的涂覆在叉指电极板表面；气体敏感材料成分为MXene和二氧化钛形成的纳米复合材料。MXene材料具有高比表面积、高电导势等优点，与二氧化钛复合后构成半导体异质结结构，以提高响应值与选择性。本方法采用水热法制备获得气体敏感材料，生产工艺简单，其原材料获取方便、价格低廉。

技术领域

本发明属于电子元器件技术领域，具体涉及一种MXene和TiO₂复合材料的氨气气体传感器及制备方法。

背景技术

近些年来，随着人们对生活环境的要求不断提高，环保问题的关注度越来越高，环境污染气体、有毒有害气体检测需要更高的检测要求。氨气作为对人体有害的气体之一，广泛用于氮肥，工业制冷剂等生产生活的各个领域，是普通工业生产和制造过程中产生的最有害的环境污染物之一。根据美国职业安全与健康管理局(OSHA)发布的标准，人体在25ppm的氨气浓度下暴露时间不能超过8小时，在35ppm氨气浓度下最久暴露时间为15分钟。此外，氨气也是人体的天然代谢产物，通过对人体呼气中氨气含量的检测，对于早期的疾病诊断具有重要意义，呼气中过量氨的存在可能是由肝和肺有关的疾病引起的。因此，对于人类健康和安全而言，找到高性能的NH₃传感器具有重要意义。

目前，在众多形形色色的气体传感器中，基于金属氧化物类型的气体传感器的研究制备技术是最为成熟的，也因其质量可靠、价格便宜而被广泛使用。目前市场上广泛流通的气体传感器主要是金属氧化物类型的气体传感器。其优点明显，比如具有高灵敏度，小尺寸和制造成本低等，然而弊端也很突出，比如工作温度较高，长时间工作时能耗很大、灵敏度较低。随着二维半导体材料的发展，其气敏特性也受到了广泛的关注。二维半导体材料优越的结构和电学性能使其更符合传感器微型化、高灵敏度、低功耗、高可靠性的发展需求。

MXene是一种类石墨烯结构的二维材料，有几个原子层厚度的过渡金属氮化物、碳化物或碳氮化物组成。Lee(Eunji Lee,ArminVahidMohammadi,Barton C.Prorok,YoungSoo Yoon,MajidBeidaghi,and Dong-Joo Kim.Room Temperature Gas Sensing of Two-Dimensional Titanium Carbide(MXene),ACS Appl.Mater.Interfaces 2017,9,42,37184–37190)团队率先研究了MXene材料的气敏性能，研究了室温下传感器对多种挥发性气体，包括甲醇、乙醇、丙酮和氨气的响应。研究结果表明MXene作为气体敏感材料对上述几种气体均有响应。然而MXene作为气体敏感材料也有着天然的缺陷，比如信号偏低，选择性较差以及响应/恢复时间较长等问题。因此研究人员通过对MXene进行表面改性，以达到良好的增敏效果。Liu(Zhi Liu,Tingting He,Haoyu Sun,Baoyu Huang,XiaoganLi.LayeredMXeneheterostructured with In₂O₃ nanoparticles for ammonia sensors at roomtemperature,SensorsActuators:B.Chemical 365(2022)131918.)课题组研究了MXene与In₂O₃复合后对氨气的响应。可以看出MXene与其他金属氧化物进行复合，得到纳米复合材料可以解决单一组分的缺陷。控制材料形貌的同时构建异质结结构，将使气敏性能得到提高。纳米结构的二氧化钛作为一种传统的n型半导体已被广泛研究用于气体传感器，其价格低廉，性质稳定，非常适合作为气敏材料。由此可以看出，设计和合成MXene和二氧化钛复合的气敏材料将具有重要的科学和实践意义。

发明内容