用于室温下柔性可穿戴氨气传感的 MXene 涂层棉织物

《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：MXene-coated cotton fabric for flexible and wearable ammonia sensing at room temperature

　　

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  使用 MXene 涂覆棉织物制备了一种柔性可穿戴氨传感器。
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  该传感器在室温下对 NH₃ 表现出线性响应，灵敏度为 0.35% ppm?1。
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  实现了快速响应、良好的重复性以及 50 天内的稳定性能。
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  涂覆 MXene 的纺织平台显示出在实时环境和工业监测方面的巨大潜力。

引言

工业活动的快速扩张导致有害气体排放不断增加，对人类健康和工业安全构成严重风险 [1], [2]。近年来，由于其在与人体或衣物集成时具有实时监测的潜力，柔性可穿戴气体传感器引起了越来越多的关注 [3], [4]。与传统刚性传感器相比，可穿戴传感平台需要轻量化、机械柔性、生物相容性，并能够在低功耗下运行，以确保舒适性和长期稳定性 [5], [6], [7]。理想的气体传感器预计应具有高灵敏度和选择性、快速响应/恢复、长期稳定性和低制造成本 [8], [9]。

氨被认为是最常见的有害气体之一，对人类健康和环境构成重大风险。它是一种无色、腐蚀性且呈碱性的气体，具有强烈的刺激性气味 [10], [11]。氨暴露受到既定阈值的限制，允许暴露限值（PEL）为 50 ppm，气味阈值约为 5 ppm [12]。为了提高个人安全，非常需要兼容皮肤、衣物和配饰等各种表面并能够进行实时监测的可穿戴气体传感器。在这方面，基于聚合物的传感平台是有吸引力的候选者，因为聚合物天然具有机械柔性和对多种基材的适应性 [13]。

各种类型的氨传感器在商业上已有几十年的历史，广泛的研究工作仍在继续致力于提高其灵敏度、选择性、响应时间和可靠性，同时减少设备尺寸、成本和功耗。大多数商用气体传感器依赖金属氧化物半导体 [14]、聚合物材料 [15] 或光学传感 [16]、量热法 [17] 等替代技术。其中，包括 ZnO、SnO₂、WO₃ 和 In₂O₃ 在内的金属氧化物半导体被广泛用于电阻型氨传感器 [18], [19], [20], [21], [22]。尽管使用广泛，但传统气体传感器通常存在许多局限性，包括高工作温度、高能耗、选择性有限、长期稳定性差，以及在微型化和重现性方面面临挑战。作为一种有前景的替代方案，基于纳米材料的传感材料因其高表面积与体积比、优异的电气性能以及实现高灵敏度、快速响应/恢复、可逆性和稳定性的潜力而引起了广泛关注 [23]。在此背景下，MXene 纳米片作为气体传感应用的候选者显得特别有吸引力。它们的高导电性、可调控的表面化学性质和大的长径比使 MXene 非常适合传感器制造 [24]。

MXene 是一类二维过渡金属碳化物和氮化物，通式为 M_n+1X_nT_x，其中 M 代表早期过渡金属，X 表示碳和/或氮，T_x 对应于表面官能团，如–O、–OH 或–F。MXene 通常通过选择性刻蚀 MAX 相中的 A 层合成，形成具有优异导电性、亲水性和丰富表面化学性质的层状结构 [25], [26]。由于其优异的导电性、机械柔性和丰富的表面化学性质，MXene 也被广泛集成到纺织基材中，用于开发多功能可穿戴设备，包括智能纺织品、电活性织物、电磁干扰屏蔽材料和光热系统 [27], [28], [29]。先前的研究表明，MXene 在室温下对氨具有高选择性 [30], [31]。然而，大多数报道的基于 MXene 的传感器是制备在刚性基材上的，这限制了它们在可穿戴系统中的应用。例如，Wu 等人 [32] 表明基于 Ti₃C₂ MXene 的传感器在室温下对 NH₃ 显示出高选择性，在 500 ppm 下响应约为 6%，并具有线性响应行为。Ould Maina 等人 [33] 开发了自组装 Ti₃C₂T_x MXene 薄膜用于氨传感，展示了良好的灵敏度（20 ppm 时为 3.73%）、快速响应以及在 1–20 ppm 浓度范围内的稳定性能。此外，Jin 等人 [34] 开发了 PEDOT/Ti₃C₂T_x MXene 复合传感器用于室温氨检测，对 100 ppm NH₃ 的响应达到 36.6%，响应和恢复时间分别为 116 和 40 秒。增强的传感性能归因于 PEDOT 和 MXene 之间的协同相互作用。

对于实际的可穿戴应用，基于 MXene 的传感器必须同时表现出高导电性和机械柔性，这可以通过与柔性或聚合物基材集成来实现 [35]。近年来，越来越多的研究报告了具有良好氨传感性能的基于 MXene 的纤维和纺织气体传感器。例如，Lin 等人 [36] 开发了一种可呼吸的 MXene 涂覆氨纶纺织传感器，用于可穿戴氨监测和运动跟踪。该传感器对 300 ppm NH₃ 的响应为 5.1%，响应时间为 14 秒，并在室温下表现出优异的选择性。尽管如此，开发简单、低成本且可规模化的基于 MXene 的纺织传感器对于实际可穿戴应用仍然很重要。此外，Yuan 等人 [37] 开发了 MXene 改性静电纺丝纳米纤维，在室温下表现出高灵敏度、宽检测范围和优异的机械柔性。Tang 等人 [38] 制造了可拉伸聚氨酯/MXene 纤维传感器，展示了增强的响应、在重复变形下的耐久性，以及有效集成到编织纺织结构中用于可穿戴气体监测。Yang 等人 [39] 报道了通过层层喷涂法制备的聚苯胺/MXene 涂覆棉织物，由于 MXene 纳米片和导电聚合物层之间的协同相互作用，对 200 ppm 氨表现出 19.6% 的显著响应。尽管基于 MXene 的气体传感器越来越受到关注，但开发简单、低成本且机械强韧的基于棉的纺织传感器，能够在低浓度下可靠地检测氨，仍然具有挑战性。在本研究中，开发了一种简单且可规模化的 MXene 涂覆棉织物作为柔性可穿戴氨传感器。系统地研究了 MXene 涂覆织物的传感性能，包括灵敏度、响应/恢复时间、选择性、重复性和响应稳定性，展示了其在可穿戴环境和工业氨监测方面的潜力。

章节摘要

材料

使用平纹棉织物 (130 g/m2) 作为基材。氟化锂 (LiF) 和盐酸 (HCl, 37 wt%) 购自 Merck (德国)，而 Ti₃AlC₂ MAX 相粉末购自 American Elements (美国)。水氨溶液、乙醇、异丙醇、丙酮、甲醇和甲苯购自 Merck。生成的氨蒸气用作气体传感测量的目标分析物。

棉织物预处理

原始棉织物经过预处理以去除表面杂质并

结构、形貌和成分表征

在本研究中，棉织物使用一至五次涂覆循环涂覆 MXene 纳米片，以研究 MXene 负载量对织物形貌和氨传感性能的影响。如图 2-a 所示，样品的表面外观随着涂覆循环次数的增加而逐渐变化。增加涂覆循环次数会导致棉纤维上 MXene 纳米片的覆盖率更高。因此，观察到织物颜色逐渐变深，

结论

在本研究中，成功从 Ti₃AlC₂ MAX 相合成了 Ti₃C₂T_x MXene 纳米片，并随后沉积到棉织物上，以制造一种柔性基于纺织品的氨气体传感器。对 MXene 涂覆循环的研究表明，增加 MXene 负载量会导致织物外观、重量和厚度的明显变化，证实了 MXene 纳米片在棉基材上的有效沉积。FESEM 观察进一步揭示了增加

CRediT 作者贡献声明

Maryam Parandeh Khoozani：写作 – 初稿，方法论，调查，正式分析，数据管理。 Seyed Vahid Ebadi：写作 – 审阅与编辑，验证，监督，项目管理，调查，正式分析，概念化。

写作过程中生成式 AI 和 AI 辅助技术的声明

在本工作的准备过程中，作者使用了 ChatGPT 以提高部分章节的可读性和语言质量。在使用该工具/服务后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对发表文章的内容承担全部责任。

竞争利益声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本论文中报告的工作。

致谢

对于图文摘要图像和图 1，一些对象改编自 Vecteezy 网站 (www.vecteezy.com)。

Maryam Parandeh Khoozani|Seyed Vahid Ebadi