基于iCVD聚合物封装技术增强Ti3C2Tx MXene甲醛传感器的稳定性与灵敏度研究

为解决MXene材料在环境条件下易氧化降解的问题，研究人员通过引发化学气相沉积（iCVD）技术将聚（1,3,5,7-四乙烯基-1,3,5,7-四甲基环四硅氧烷）（PV4D4）封装层应用于Ti3C2Tx MXene/银纳米颗粒（Ag NPs）异质结甲醛传感器。该封装使传感器半衰期延长200%以上，并通过硅醇（Si-OH）与甲醛的反应将灵敏度提升1.7倍。研究为MXene基器件的商业化应用提供了稳定性解决方案，同时开发了低能耗再生工艺，使其在室内空气质量监测等领域具有重要应用价值。

　　

二维材料MXene因其优异的导电性和可调控的表面化学性质，在气体传感、电磁屏蔽等领域展现出巨大潜力。然而，这类材料在环境条件下极易氧化，尤其在湿度暴露时会迅速降解为导电性极差的TiO₂，严重制约其实际应用。以Ti₃C₂T_x为代表的MXene材料，虽可通过真空退火或酸处理部分恢复性能，但长期操作稳定性仍是未解难题。甲醛（HCHO）作为一类强致癌挥发性有机物，当前缺乏能在室温下稳定工作的低成本传感器，这使得开发兼具高灵敏度和长寿命的MXene基传感器成为研究热点。

研究人员通过创新的聚合物封装策略解决了这一难题。他们设计了一种Ag/N掺杂MXene异质结传感器，并采用引发化学气相沉积（iCVD）技术在其表面沉积100 nm厚的PV4D4疏水聚合物层。这种封装工艺在室温、无溶剂条件下完成，避免了传统方法导致的MXene氧化问题。通过分子动力学模拟证实，PV4D4能将水蒸气扩散系数降低至空气中的10^-4倍，显著延缓了MXene的氧化进程。

研究采用多项关键技术：1）通过溶热法合成氮掺杂MXene（N-MXene）以扩大层间距；2）超声负载银纳米颗粒构建Schottky异质结；3）iCVD沉积PV4D4实现高保形封装；4）湿度激活将硅氧烷（Si-O-Si）转化为硅醇（Si-OH）功能层。实验使用定制气体测试系统，结合X射线光电子能谱（XPS）和透射电镜（TEM）等表征手段验证材料性能。

研究结果
传感器制备与气体测试系统
通过SEM观察到Ag NPs在MXene表面的均匀分布（粒径20-60 nm），TEM证实iCVD能在高曲率银纳米线上沉积10 nm级均匀PV4D4层。XRD显示氮掺杂使MXene的（002）晶面间距从10.73 ?增至12.34 ?，为气体吸附提供更大表面积。

气体传感性能
封装后传感器对40 ppm甲醛的响应值从19%提升至32.5%，检测限（LOD）从1.15 ppm降至0.47 ppm。选择性测试显示，其对异丙醇的选择性提高13倍。稳定性实验中，未封装传感器在75天内完全失效，而封装版本5个月后仍保持50%响应。独特的再生工艺通过15分钟70%湿度暴露，使传感器恢复90%性能。

传感机制
能带分析表明，Ag/N-MXene异质结的Schottky势垒受气体吸附调控：氧气吸附消耗电子使势垒变窄，而甲醛反应释放电子使势垒拓宽。PV4D4经水合产生的硅醇与甲醛发生特异性反应（形成Si-O-CH₂-OH），进一步放大电信号。相比之下，聚偏二氟乙烯（PVDF）封装因阻碍甲醛扩散且缺乏活性基团，导致传感功能完全丧失。

讨论与意义
该研究首次将iCVD封装技术与MXene传感功能相结合，突破性地实现了材料稳定性和灵敏度的协同提升。PV4D4层兼具阻隔水蒸气和化学传感双重功能，其设计理念可拓展至其他挥发性有机物检测。分子动力学模拟为聚合物筛选提供了理论依据，显示PV4D4对HCHO的扩散系数（1.5×10^-6 cm²/s）显著高于PVDF。研究为MXene在柔性电子、储能器件等领域的长期稳定性问题提供了普适性解决方案，论文发表在《SCIENCE ADVANCES》上。

值得注意的是，该传感器在工业安全监测场景中优势显著：室温工作避免高温引爆风险，再生工艺降低维护成本。未来通过优化封装层厚度和功能基团，有望进一步降低检测限并拓展至甲醛外的其他有害气体检测。