Ti3C2Tx MXene及其复合材料的制备及气湿敏性能研究

作     者：陈俊吉 

作者单位：天津理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：秦文静;李再春

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：湿敏传感器 气敏传感器 Ti3C2Tx MXene 

摘      要：气湿敏传感器是一种可以测量湿度以及特殊气体的传感器,在工业、农业、医疗、军事等领域均得到了广泛的应用。目前,气湿敏传感器正向着更高灵敏度、更快响应速度、更轻更薄等领域发展。TiCT MXene是一种新兴的层状材料,拥有高比表面积和高电导率,在气湿敏传感领域具有潜在的应用价值。本论文研究了异质复合、表面处理后的TiCT MXene基材料在气湿敏传感器中的应用。具体研究内容如下:呼出气诊断技术在慢性气道疾病领域非常受关注,通过呼出气中的生物标志物,能够指导疾病治疗、判断预防疾病。HS是一种与呼吸道、消化系统炎症相关的气体。开发一种能够检测低浓度HS的气敏传感材料是至关重要的。构建欧姆结界面是提高材料气体传感性能的有效方法。本研究利用搅拌电镀方法在多层TiCT MXene片上均匀镀覆了Cu O/CuO枝晶。通过调控搅拌电镀的时间实现了Cu O/CuO两种成分比例的调控。TiCT MXene/Cu O/CuO复合材料具有比TiCT MXene更大的比表面积,Cu O/CuO枝晶为气体分子提供了大量的快速吸脱附位点,在保证快速响应的前提下显著提高了传感器对HS气体的灵敏度（提高170%）,响应时间和恢复时间分别为10 s和14 s,检测下限达到100 ppb,具有良好的HS响应重复性。湿度监测在医疗领域如呼吸监测以及呼吸机、吸入式药物传递设备等应用,或工业、农业领域的环境湿度监测中具有重要的作用。然而目前的湿度传感器存在灵敏度低、响应范围小,响应速度慢的问题。本研究报道了一种卷曲片状TiCT MXene（CF-TiCT MXene）湿度传感器。将TiCT MXene在Na OH溶液中进行电解插层处理,去除TiCT MXene表面原有的-F端基,形成大量的-OH和-O端基,提高了亲水性和耐水性,降低了材料吸湿后的阻力,因而显著提高了TiCT MXene对湿度的响应特性。TiCT MXene表面的部分氧化、末端的替换和Na的插入,使TiCT MXene层形貌由扁平变为卷曲,为水分子的进出建立了快速通道,提高了材料的水化/脱水效率。卷曲片状TiCT MXene湿度传感器具有超高的响应值S=1.2×10～5（比报道的基于MXenes的湿度传感器高两个数量级）,响应速度快（2 s）,重复性和稳定性好（4 weeks）。验证了CF-TiCTMXene高响应湿度传感器在人体呼吸监测、人体非接触传感检测和环境湿度检测中的应用。