V2CTX MXene

May 17, 2024

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 3114 (2023) Citare questo articolo

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Nuovi materiali di rilevamento ad alte prestazioni basati sulla temperatura ambiente sono uno degli argomenti di ricerca di frontiera nel campo del rilevamento dei gas e MXenes, una famiglia di materiali emergenti a strati 2D, ha guadagnato un'attenzione diffusa grazie alle loro proprietà distintive. In questo lavoro, proponiamo un sensore di gas chemiresistivo realizzato con materiali ibridi V2O5 simili a ricci, derivati ​​da V2CTx MXene (V2C/V2O5 MXene) per applicazioni di rilevamento di gas a temperatura ambiente. Il sensore così preparato ha mostrato prestazioni elevate se utilizzato come materiale di rilevamento per il rilevamento dell'acetone a temperatura ambiente. Inoltre, il sensore basato su V2C/V2O5 MXene ha mostrato una risposta più elevata (S% = 11,9%) verso 15 ppm di acetone rispetto ai V2CTx MXeni multistrato originali (S% = 4,6%). Inoltre, il sensore composito ha dimostrato un basso livello di rilevamento a livelli ppb (250 ppb) a temperatura ambiente, nonché un'elevata selettività tra diversi gas interferenti, tempi di risposta-recupero rapidi, buona ripetibilità con fluttuazioni di ampiezza minime ed eccellente stabilità a lungo termine . Queste proprietà di rilevamento migliorate possono essere attribuite alla possibile formazione di legami H negli MXene V2C multistrato, all'effetto sinergico del composito appena formato del sensore MXene V2C/V2O5 simile a un riccio e all'elevato trasporto di portatori di carica all'interfaccia di V2O5 e V2C MXene.

Con la crescente consapevolezza del rapido inquinamento ambientale e dell’importanza delle diagnosi sanitarie, la progettazione di sensori intelligenti e sensibili è diventata un argomento di ricerca di frontiera nel campo del rilevamento dei gas1. Lo sviluppo dell’Internet delle cose (IoT) ha consentito l’integrazione di diversi tipi di sensori attivi in ​​un’unica rete, consentendo agli utenti di essere avvisati del rischio imminente attraverso tecnologie intelligenti2. Una categoria di sensori, i sensori di gas (una sottoclasse di sensori chimici), ha svolto un ruolo fondamentale nel monitoraggio dei gas pericolosi e dei composti organici volatili (COV) nelle industrie, nelle aree interne e negli ambienti medici per migliorare la sicurezza e l'incolumità degli esseri umani3 ,4,5. Un’altra categoria, i dispositivi di rilevamento intelligente presso i punti di cura, ha attirato l’attenzione per la possibilità di ottenere diagnosi di malattie in tempo reale6. Ad esempio, il respiro umano è una miscela di vari gas, come N2, O2, CO2, vapore acqueo, tracce di COV (acetone, ammoniaca, isoprene, ecc.) e gas inorganici (H2S, CO, NO, ecc. ). Questi gas sono generati in modo endogeno (nel corpo) o esogeno (da contaminanti ambientali)7,8. In particolare, l’acetone è un biomarcatore utile per la diagnosi del diabete; è un sottoprodotto del processo metabolico della chetosi e viene espulso dal corpo attraverso i rifiuti o il respiro9. Le concentrazioni di acetone variano da 0,2 a 0,9 parti per milione (ppm) negli individui sani e da 0,9 a 1,8 ppm nei pazienti diabetici10. Le statistiche locali hanno indicato che quasi il 17,3% della popolazione degli Emirati Arabi Uniti (EAU) di età compresa tra 20 e 80 anni aveva il diabete di tipo 2 nel 2017, mentre quasi 1 milione di persone aveva il diabete di tipo 1, classificando il paese al quindicesimo posto a livello mondiale11. Rispetto a un test convenzionale della glicemia, che può essere doloroso, l'analisi dell'espirazione rappresenta un approccio promettente, non invasivo, non pericoloso ed economico per rilevare l'acetone12,13. Pertanto, sono necessari materiali di rilevamento nuovi e ad alte prestazioni per progettare dispositivi sensori di gas sensibili per rilevare l'acetone nel respiro. Sono stati impiegati nuovi materiali per rilevare COV e gas tossici, tra cui chemiresistori basati su semiconduttori di ossido di metallo (MOXS)14, nanotubi di carbonio (CNT)10 e materiali bidimensionali (2D) a base di grafene15. Tuttavia, sebbene i sensori di gas MOXS siano spesso utilizzati come efficaci sensori di gas trasduttori, la loro elevata temperatura di esercizio rappresenta un ostacolo pratico significativo3. Il rilevamento del gas a temperatura ambiente (RT) è stato individuato come soluzione a questa sfida. Sebbene i CNT e i materiali 2D a base di grafene possano funzionare a temperatura ambiente, la loro reazione lenta e i comportamenti a bassa risposta impediscono le applicazioni pratiche16,17. Pertanto, sono necessari materiali di rilevamento alternativi che possano funzionare a temperatura ambiente e mostrare proprietà di rilevamento migliorate.