Advanced Functional Materials封面论文：边缘富集的Mo2TiC2Tx/MoS2异质结构用于NO2气体高选择检测

01 导读

过渡金属碳/氮化物（MXene）二维材料自2011年发现以来，由于独特的层状结构、可调节的导电性与丰富的端基，在各个领域备受关注。碳化钛（Ti₃C₂T_x）作为典型的MXene材料，因其优异的导电性、高产量和易刻蚀，在传感器技术领域被广泛报道。然而，研究表明Ti₃C₂T_x基气体传感器不仅对NH₃、NO₂等无机气体敏感，而且对挥发性有机化合物（VOCs）敏感。气体之间的交叉干扰可导致传感器的错误识别和量化。同时，先前的理论计算表明Ti₃C₂T_x 对NH₃、NO₂等气体具有较小的吸附能。因此，针对有毒有害NO₂气体，在种类丰富的MXene族中开发一种高选择、高灵敏的MXene材料仍是一个挑战。

02 成果掠影

近日，电子科技大学太惠玲教授和中南大学欧阳方平教授等人报道了一种用于NO₂检测的具有边缘富集异质结构的Mo₂TiC₂T_x/MoS₂。DFT理论计算表明双金属MXene材料Mo₂TiC₂T_x对NO₂气体分子表现出超强的吸附特性，吸附能可达−3.12 eV。通过界面调制将其与MoS₂耦合形成边缘富集的异质结构。得益于复合材料的强吸附、丰富吸附位点与异质界面的协同作用，制备的气体传感器对NO₂气体表现出高灵敏与高选择。进一步地，搭建了基于Mo₂TiC₂T_x/MoS₂气体传感器的便携式无线NO₂监测系统，可用于气体泄漏搜索和危险报警。相关研究成果以题为“Edge‐Enriched Mo₂TiC₂T_x/MoS₂ Heterostructure with Coupling Interface for Selectively NO₂ Monitoring”发表于Advanced Functional Materials，并被选为封面论文。

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03 核心创新点

结合Mo₂TiC₂T_x的强吸附与 MoS₂的边缘富集结构，提出了一种具有耦合界面Mo₂TiC₂T_x/MoS₂异质结构以开发高选择、高灵敏的 NO₂ 气体传感器。

04 数据概览

图1（a）Mo₂TiC₂T_x/MoS₂复合材料合成示意图。（b）气体传感组件。

图2（a-c）Mo₂TiC₂T_x的SEM、TEM与HRTEM图像。（d-e）MoS₂的SEM与HRTEM图像。（f-j）Mo₂TiC₂T_x/MoS₂复合材料的SEM、TEM、HRTEMs图像，SAED衍射图与TEM元素映射图像。

图3 （a）Mo₂TiAlC₂、Mo₂TiC₂T_x、MoS₂和复合材料的XRD图谱。（b-c） Mo₂TiC₂T_x、MoS₂和复合材料的拉曼光谱与FTIR光谱。（d）Mo₂TiC₂T_x和Mo₂TiC₂T_x/MoS₂复合材料的Ti 2p的 HRXPS光谱。（e-f）Mo₂TiC₂T_x、MoS₂与Mo₂TiC₂T_x/MoS₂复合材料的C 1s与Mo 3d的 HRXPS光谱。

图4（a）Mo₂TiC₂T_x、MoS₂、Mo₂TiC₂T_x/MoS₂基气体传感器对2–50 ppm NO₂的电阻响应曲线。（b）Mo₂TiC₂T_x/MoS₂传感器对200–1000 ppb NO₂的电阻响应曲线。（c）线性拟合曲线。（d）传感器对2.5 ppb NO₂的电阻响应曲线。（e）传感器对10 ppm和50 ppm NO₂的重复性曲线。（f）传感器在10 ppm和50 ppm NO₂下的响应/恢复时间。（g）放大的响应曲线。（h）湿度对10 ppm NO₂气体响应的影响。（i）稳定性测试曲线。

图5（a）Mo₂TiC₂T_x、MoS₂和Mo₂TiC₂T_x/MoS₂基传感器对多种气体的选择性响应。（b）Mo₂TiC₂T_x与MoS₂对多种气体的吸附能。（c）复合材料对多种气体的吸附能。（d-f）Mo₂TiC₂T_x，MoS₂与Mo₂TiC₂T_x/MoS₂复合材料对NO₂分子吸附模型的俯视图和侧视图。

图6. 敏感机理示意图。

图7（a）无线传感系统原理图。（b）无线传感系统对5、10、50 ppm NO₂的反馈结果。（c）遥控车装载测试电路、气体传感器与电池的光学照片。（d）无线传感系统在有害气体监测中的应用示意图。（e-g）用于气体泄漏报警的光学照片。

05 成果总结

综上所述，研究人员提出了一种对 NO₂气体分子具有超强表面吸附的高活性Mo₂TiC₂T_x，并通过界面调制进一步与MoS₂耦合，以构建边缘富集的异质结构。得益于Mo₂TiC₂T_x/MoS₂复合材料的强吸附、丰富吸附位点和耦合界面的协同作用，制备的气体传感器对NO₂具有高选择性，并通过密度泛函理论计算证实。同时，该传感器在室温下表现出高灵敏度、超低检测限与优异的可逆性。最后，搭建了便携式无线NO₂监测系统，用于气体泄漏搜索和危险报警。这项工作拓展了双金属MXene的气体传感应用，并为环境监测和安全保障中无线传感系统的发展提供了一条途径。

原文详情

Zhao, Qiuni, Wenzhe Zhou, Mingxiang Zhang, Yang Wang, Zaihua Duan, Chaoliang Tan, Bohao Liu, Fangping Ouyang*, Zhen Yuan*, Huiling Tai*, Yadong Jiang (2022). Edge‐Enriched Mo₂TiC₂T_x/MoS₂ Heterostructure with Coupling Interface for Selectively NO₂ Monitoring. Advanced Functional Materials, 2203528. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202203528