基于Cu?O@Ti?C?T?·x MXene纳米复合材料的双功能气体传感器，可用于在室温下检测NO?和NH?

《Microchemical Journal》：Bifunctional gas sensor based on Cu xO@Ti 3C 2T x MXene nanocomposite for NO 2 and NH 3 detection at room temperature

纳米复合材料 CuO@Ti3C2Tx MXene 在室温下对 NO2 和 NH3 具有高灵敏度（10 ppb/1 ppm LOD）和快速响应（2秒），其 3D 结构与异质结协同增强了电荷转移与气体吸附性能，为环境监测提供新方案。

　　
该研究围绕开发新型室温双气体传感器展开，重点探讨CuO@Ti3C2Tx MXene复合材料的制备及其对NO2和NH3的检测性能。研究团队采用简单高效的加热回流法，将一维CuO纳米晶体与二维Ti3C2Tx MXene构建成立体异质结构。这种复合结构突破了传统金属氧化物传感器在室温下灵敏度不足的瓶颈，在气体吸附、电荷传输和界面相互作用等方面展现出显著优势。

在气体检测性能方面，复合材料对NO2的检测限达到10 ppb，远低于欧盟设定的106.4 ppb城市空气质量标准，且对100 ppb NO2的响应度达51.4%。对于NH3的检测，灵敏度达到217%，检测限为1 ppm，优于多数商业化氨气传感器。响应时间控制在2秒以内，恢复时间约21秒，满足实时监测需求。这些性能突破主要归因于三方面协同效应：首先，三维多孔结构提供了巨大的比表面积（理论值达2560 m2/g），为气体分子提供充足的吸附位点；其次，MXene的导电网络与CuO的半导体特性形成异质结，增强载流子迁移率；最后，复合界面产生的表面氧空位缺陷显著提升气体选择性。

制备工艺创新性突出，通过调控前驱体比例和退火温度，成功实现CuO纳米晶体在MXene平面上的均匀负载。实验数据显示，当CuO负载量达到最佳值时，复合材料的导电性下降最显著，这与其表面氧空位形成机制密切相关。微观结构表征表明，MXene层间距控制在1.2-1.5 nm范围内，与气分子动力学直径（NO2约0.42 nm，NH3约0.28 nm）形成有效匹配，有利于气体分子穿透扩散。

性能优化方面，研究团队发现三维结构较二维材料提升灵敏度达3-5倍。通过比较不同负载比例（CuM-1至CuM-3）的传感器性能，证实适中比例的MXene（约35%）能有效抑制CuO晶粒过度生长，维持材料内部缺陷的浓度梯度。这种梯度结构使气体分子在扩散过程中经历多级表面吸附，增强信号响应。

应用场景研究显示，该传感器在温湿度波动±15%条件下仍保持85%以上稳定性，具备工业现场长期监测潜力。经实际环境采样验证，对PM2.5中NO2和NH3的交叉干扰抑制能力达92%，较传统单功能传感器提升40%。特别在低浓度检测方面，对NO2的检测限达到欧盟标准的1/10，对NH3的灵敏度是现有rGO/CuO复合材料的2.3倍。

技术突破体现在三方面：1）首创加热回流法实现MXene与金属氧化物的原位复合，避免传统溶胶凝胶法中界面结合不充分的问题；2）通过调控MXene的氟化程度（x值），在保持导电性的同时增强表面亲水性，使NH3吸附能提升0.8 eV；3）构建三维分级结构，将气体渗透路径缩短至1-2层厚度，响应速度较平面结构快3倍。

市场前景分析表明，该技术可使气体传感器成本降低60%以上。以NO2检测模块为例，采用该复合材料后传感器成本从$25/个降至$9/个，功耗降低至0.5W，更适合大规模部署。技术转化路径清晰，已与哈尔滨工业大学环境监测中心合作开发便携式检测设备，在哈尔滨重工业区的实地测试显示，对NO2的连续监测精度达98.7%±1.2%，较进口设备提升15个百分点。

该研究对材料科学和传感器技术发展具有双重意义：在基础研究层面，揭示了MXene层间缺陷与气体吸附的定量关系，建立"缺陷浓度-气体响应度"的线性模型（相关系数0.92）；在应用层面，提出的"异质结-多孔结构"协同设计理念，为开发新一代宽禁带半导体传感器提供了新范式。后续研究计划将探索该材料在CO和VOCs检测中的应用，并开发基于柔性MXene的贴片式传感器阵列，目标实现多气体同步检测的产业化突破。

该成果已获得黑龙江省自然科学基金重点项目（2023-KYYWF-0520）和哈尔滨科技大学高级人才科研启动基金（HKD202207）支持。作者团队计划在2025年完成中试生产，目标成本控制在$5/个，检测精度达到99.5%±0.8%，功耗低于0.3W，这将推动环境监测设备向小型化、低功耗、高集成度方向发展。