基于MXene衍生的MOF@Cu-TCPP的超轻气体传感器，通过丝网印刷技术制备在丝绸织物上，能够在室温下实现纳丙醇（n-propanol）的ppb级检测

《Materials Today Chemistry》：Ultra-light weight gas sensor based on MXene-derived MOF@Cu-TCPP screen-printed on silk fabric for ppb level detection of n-propanol at room temperature

新型V-TCPP-Cu MXene基金属有机框架丝绸柔性传感器实现宽动态范围（178 ppb–1.91 ppm）和低检测限（189 ppb），具有快速响应（14 s/12 s）和高选择性，归因于n-n异质结、高比表面积（78 m2/g）、氧空位（g=2.06）及活性位点富集。

　　这项研究聚焦于开发一种新型的柔性气体传感器，用于检测n-丙醇。n-丙醇是一种无色、易燃且有毒的挥发性有机化合物（VOC），在印刷、化妆品和制药等行业中被广泛应用。长期暴露于低浓度的n-丙醇（200 ppb至500 ppb）可能会导致头痛、嗜睡、呼吸系统疾病、中枢神经系统抑制等健康问题。因此，开发一种低成本、高可靠性和便携式的n-丙醇传感器，具有重要的实际意义。

目前，检测n-丙醇的方法主要包括液相和气相色谱法，但这些方法存在一些局限性，如检测速度慢、设备昂贵、操作过程复杂以及需要专业人员进行操作。这使得开发一种简单、可扩展且适合集成到可穿戴设备中的新型传感器成为迫切需求。在众多可能的材料中，二维材料因其优异的性能在气体传感领域受到广泛关注。这些材料包括金属氧化物半导体、过渡金属二硫属化合物以及导电聚合物等，它们在检测n-丙醇方面表现出良好的灵敏度、响应速度和选择性。

近年来，金属有机框架（MOFs）因其低成本、高孔隙率以及出色的物理和化学特性而受到越来越多的关注。特别是在气体传感领域，MOFs展现出了广阔的应用前景。其中，卟啉基MOFs（P-MOFs）因其二维片状结构而优于传统块状MOFs，这使得它们在气体吸附和检测方面具有更高的效率。例如，Cu-TCPP在催化、气体存储和药物输送等领域表现出良好的性能。然而，这些二维片状结构的高表面能也使其容易发生聚集，从而影响其性能和稳定性。

为了克服这一问题，研究者们提出了一种将MXene引入MOFs以合成MXene衍生MOFs的策略。MXene材料因其金属特性，表现出高电导率、机械稳定性和柔韧性，这些特性对于气体传感器的性能至关重要。因此，将V?CTx MXene引入Cu-TCPP MOF，形成具有特殊结构的V-TCPP-Cu MOF，成为一种有效的策略。目前，虽然V?CTx MXene和Cu-TCPP分别被报道用于气体传感，但它们的结合尚未被探索。

本研究通过溶剂热法合成了一种新型的V-TCPP-Cu卟啉MOF，并利用丝网印刷技术将其沉积在丝绸织物上，从而制备出一种柔性、超轻（约22.1毫克）的n-丙醇传感器。V?CTx MXene作为金属源，Cu-TCPP作为质子化配体，两者在优化比例下结合，形成具有特殊结构的V-TCPP-Cu MOF。TCPP中的羧酸盐基团在两个金属节点（钒和铜中心）之间起到桥梁作用，从而促进MOF的形成。这种独特的墨水配方利用环己醇/萜品醇（7:3）作为溶剂系统，乙基纤维素（2.5 wt%）作为流变修饰剂和粘合剂，使得MOF能够在丝绸织物上均匀沉积，而无需高温退火或真空沉积等复杂的加工步骤。

传感器的性能测试结果显示，其对n-丙醇的检测具有宽动态范围（178 ppb至1.91 ppm）和低检测限（189 ppb）。此外，传感器在450 ppb浓度下表现出快速的响应和恢复时间（14秒/12秒），并且对其他VOCs具有高选择性。这些优异的性能主要归因于V-TCPP-Cu MOF中形成的n-n异质结、高比表面积、增加的氧空位（g = 2.06）以及片层之间的大量活性位点，这些特性有助于吸附更多的气体分子，从而提高检测效率。

从结构和形貌分析来看，V-TCPP-Cu MOF呈现出针状（片状）结构，其比表面积为78 m2/g，孔径为1.31 nm。这些结构特性使得MOF能够有效地与气体分子相互作用，从而实现高灵敏度和快速响应。通过扫描电子显微镜（SEM）分析，可以看到Cu-TCPP片状结构的直径在1-2 μm之间，厚度约为200-250 nm。这些片状结构在有序排列下形成三维针状（片状）形态，进一步增强了传感器的性能。

在实际应用中，柔性气体传感器因其便携性和适应性，成为可穿戴设备的理想选择。近年来，多种柔性基底，如聚合物薄膜、纸张和纺织品，被用于气体传感。其中，纺织品因其可以直接作为可穿戴设备使用，且成本较低，成为最具吸引力的选择。特别是丝绸织物，相较于其他纺织品（如涤纶、尼龙），具有生物相容性、透气性、轻质、耐用性和环境可持续性等优势。然而，将活性成分沉积在丝绸表面仍是一个挑战，这可能会影响传感器的机械稳定性和检测性能。

因此，本研究采用了一种新颖的墨水配方，通过丝网印刷技术将V-TCPP-Cu MOF沉积在丝绸织物上，从而制备出一种高效的柔性传感器。这种墨水配方不仅能够实现MOF的均匀沉积，还能够避免高温度处理或真空沉积等复杂步骤，使得整个制备过程更加简单和可扩展。通过多种表征技术，包括扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和比表面积分析（BET），研究人员验证了该传感器的结构和性能。

该研究的结果表明，V-TCPP-Cu MOF与丝绸织物的结合为开发高性能的可穿戴气体传感器提供了一种新的思路。这种新型传感器不仅在检测n-丙醇方面表现出优异的性能，而且在其他VOCs的检测中也具有良好的选择性。此外，其超轻的特性使其更适合集成到便携设备中，从而拓展了其应用范围。该研究的成果为未来的气体传感技术提供了重要的参考，并为开发更加环保、高效的传感器材料奠定了基础。

总的来说，本研究通过合成一种新型的V-TCPP-Cu MOF，并将其沉积在丝绸织物上，成功制备出一种柔性、超轻、高效的n-丙醇传感器。该传感器在检测性能、响应速度和选择性方面均表现出色，具有广泛的应用前景。通过采用新颖的墨水配方和制备技术，研究人员不仅克服了传统方法的局限性，还为未来的可穿戴气体传感技术提供了一种可行的解决方案。这一研究的成果不仅有助于提升气体传感技术的性能，也为开发更加环保、高效的传感器材料提供了重要的参考。