摘要: 针对传统NO
2检测技术依赖高温、灵敏度不足等问题，本研究通过水热法制备了MXene-Cu
2O复合材料，开发了一种新型室温下超灵敏气体传感器。实验表明，传感器在室温下展现出宽线性检测范围、低检测限及优异抗干扰性，可稳定检测ppb至ppm级NO
2。该研究为开发低功耗、高灵敏的室温气体传感器提供了新策略，在环境监测与工业安全领域具有重要应用价值。
Abstract: To address the limitations of conventional NO2 detection technologies, such as high-temperature operation and insufficient sensitivity, this study developed a novel room-temperature ultrasensitive gas sensor based on MXene-Cu2O composites synthesized via a hydrothermal method. Experimental results demonstrate that the sensor exhibits a wide linear detection range, low detection limit, and excellent anti-interference capability, enabling stable detection of NO2 from ppb to ppm levels at room temperature. This research provides a new strategy for designing low-power, high-sensitivity room-temperature gas sensors, offering significant application potential in environmental monitoring and industrial safety fields.
1. 引言
氮氧化物(NO2)作为主要的大气污染物之一，对人体呼吸系统和生态环境构成严重威胁[1]。根据世界卫生组织报告，长期暴露于高浓度NO2环境会增加呼吸道疾病和心血管疾病的发病风险[2]。传统NO2气体检测技术如化学发光法和光谱分析法虽然精度高，但存在设备庞大、成本高昂等缺点，难以满足实时监测的需求。
金属氧化物半导体(MOS)气体传感器因其成本低、体积小等优势备受关注，但其工作温度通常较高(>150℃)，导致能耗大且存在安全隐患[3]。近年来，室温气体传感器的研发成为研究热点，其中p型半导体氧化亚铜(Cu2O)因其独特的电子结构和可调控的氧空位特性展现出良好潜力[4]。然而，纯Cu2O材料存在导电性差、表面易氧化等问题，限制了其传感性能[5]。
MXene作为一种新型二维过渡金属碳化物，具有超高的导电性、丰富的表面官能团和可调控的界面特性，能有效抑制金属氧化物的表面氧化[6]。这些特性使其成为改善Cu2O传感性能的理想材料。
本研究创新性地将MXene与Cu2O复合，系统探究其在室温NO2检测中的性能。该研究不仅为开发高性能室温气体传感器提供了新思路，也为二维材料与金属氧化物的复合应用拓展了新方向。
2. 实验部分
本研究采用水热法制备MXene-Cu2O复合材料。具体过程如下：将0.176 g CuCl2∙2H2O溶解于100 mL去离子水中，在55℃恒温水浴中持续搅拌，依次加入NaOH溶液和抗坏血酸溶液，经5小时反应后离心洗涤得到Cu2O沉淀。随后将沉淀物与MXene分散液超声混合1小时，真空干燥后获得复合材料。
Figure 1. Gas sensitive testing system
图1. 气敏测试系统
传感器制备采用滴涂法：将复合材料与20 μL去离子水混合研磨成均匀浆料，精确涂覆于叉指电极(银电极，指宽与间距均为100 μm)表面，室温干燥24小时后完成器件组装。气敏性能测试在自主搭建的静态配气系统中进行(图1)，测试条件严格控制在室温(25℃ ± 2℃)和35%相对湿度。目标气体浓度通过静态体积法配制，以高纯氮气作为平衡气体。使用Keithley 2400源表施加1 V偏压，实时监测传感器在空气和目标气体中的电流变化。响应值定义为暴露气体时的电流(Ig)与空气中基线电流(Ia)的比值(R = Ig/Ia)，响应时间和恢复时间分别定义为电流变化达到饱和值90%所需时长。
3. 结果与讨论
Figure 2. (a) Continuous dynamic response curves of the MXene-Cu2O sensor to 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, and 5 ppm NO2; (b) The response curves of Mxene-Cu2O, Cu2O and MXene to 0.5 ppm NO2
图2. (a) MXene-Cu2O传感器对0.1、0.2、0.5、1、2、5 ppm NO2的连续动态响应曲线；(b) MXene-Cu2O、Cu2O和MXene对0.5 ppm NO2的响应曲线
图2(a)展示了MXene-Cu2O传感器对0.1、0.2、0.5、1、2、5 ppm NO2的连续动态响应曲线。在室温(25℃)和35%相对湿度条件下，传感器对所有测试浓度均表现出快速、可逆的响应行为。当NO2浓度从0.1 ppm逐步增加至5 ppm时，响应值从1.9增长至27.1，显示出超高的响应值和稳定的连续检测性能。值得注意的是，传感器对0.1 ppm (100 ppb) NO2的响应值仍达1.9，随后对传感器的最低检测限做出测试(图3)，得出检测限为25 ppb (响应值为1.07)，这一性能显著优于已报道的多数Cu2O基传感器。图2(b)展示了MXene-Cu2O、Cu2O和MXene对0.5 ppm NO2的响应曲线，可以观察到MXene-Cu2O传感器对比纯Cu2O和MXene在气体灵敏度方面有显著提升，但在响应/恢复时间方面并未观察到明显的变化。
Figure 3. Dynamic current curve of 25 ppb NO2 by the MXene-Cu2O sensor
图3. MXene-Cu2O传感器对25 ppb NO2的动态电流曲线
Figure 4. Fitting curve of the response value of the MXene-Cu2O sensor and the concentration of NO2
图4. MXene-Cu2O传感器响应值与NO2浓度的拟合曲线
图4为传感器响应值与NO2浓度的拟合曲线。在0.1~5 ppm范围内，响应值与浓度呈良好的线性关系，拟合方程为y = 5.09x + 2.85 (R2 = 0.978)。这种宽线性范围(横跨两个数量级)与高灵敏度的结合，使传感器既能检测环境本底浓度(ppb级)，又可满足工业泄漏监测(ppm级)需求。
Figure 5. The MXene-Cu2O sensor’s performance: (a) Five repeatability tests in an environment of 0.5 ppm NO2; (b) Stability test in an environment of 0.5 ppm NO2; (c) Comparison of responses to 0.5 ppm NO2 and 200 ppm interfering gas; (d) Comparison of responses of the same type of sensors to 2 ppm NO2
图5. MXene-Cu2O传感器性能：(a) 在0.5 ppm NO2环境下的5次重复性测试；(b) 在0.5 ppm NO2环境下的稳定性测试；(c) 对0.5 ppm NO2与200 ppm干扰气体的响应对比；(d) 对比同类型传感器对2 ppm NO2的响应
如图5(a)和图5(b)对传感器在0.5 ppm NO2环境下进行了五个循环的重复性测试和稳定性性能统计，传感器均表现出较为稳定的性能。图5(c)对比了传感器对0.5 ppm NO2与200 ppm干扰气体(氢气、一氧化碳、氨气、乙醇等)的响应值。结果显示，传感器对0.5 ppm NO2的响应值(6.07)是其他气体(200 ppm)的4.8~5.8倍，表现出优异的选择性，说明其在实际的应用环境中有着较强的抗干扰能力。如图5(d)，MXene-Cu2O传感器对2 ppm NO2的响应远高于同类型气体传感器[7]-[12]，这一高响应值有力证明了我们的传感器在NO2检测上具有显著的性能优势。
4. 总结
本研究通过水热法制备了MXene-Cu2O复合材料，成功开发了一种室温下高灵敏检测NO2气体的传感器。实验结果表明，传感器对0.1~5 ppm的NO2表现出优异的检测性能。在0.1 ppm浓度下响应值为1.9，随浓度升高至5 ppm时响应值显著提升至27.1，检测限低至25 ppb (响应值1.07)，能够满足环境本底浓度监测需求。此外，传感器在0.1~5 ppm范围内呈现良好的线性响应，且对0.5 ppm NO2的响应值(6.07)是200 ppm干扰气体(H2、CO、NH3等)的4.8~5.8倍，展现出高选择性。该传感器在环境空气质量监测和工业安全领域具有重要应用潜力。未来工作将聚焦于材料制备工艺优化及复杂环境适应性研究，推动其实际应用进程。