基于MXene的甲醛传感器寿命和性能提升方法：聚合物涂层封装MXene
2025-07-20 10:13:28 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
为了让室内空气质量监测更加普及，美国卡内基梅隆大学的研究人员开发了一种耐久的低成本室内甲醛传感器。该基于MXene的甲醛传感器添加了独特的聚合物涂层，不仅使其半衰期延长200%，还能在性能开始下降时实现再生。
清洁用品、蜡烛、婴儿床和化妆品等都是会释放甲醛的常见家庭物品。甲醛是一种无色、有刺激性气味的化学物质，研究发现当空气中浓度超过0.1 mg/m³时就会对人体健康构成风险。
据麦姆斯咨询报道，为了让室内空气质量监测更加普及，美国卡内基梅隆大学的研究人员开发了一种耐久的低成本室内甲醛传感器。该基于MXene的甲醛传感器添加了独特的聚合物涂层，不仅使其半衰期延长200%，还能在性能开始下降时实现再生。
MXene是一类化合物，因其优异的电气性能和多样的表面化学特性，在储能和气体传感领域展现了巨大的应用潜力。尽管具有这些优势，但MXene极易氧化（尤其是在暴露于空气和/或湿气中时），这对基于MXene的空气质量监测传感器构成了重大挑战。
卡内基梅隆大学的研究成果发表在Science Advances期刊。这项新研究通过将MXene封装在聚合物涂层中克服了这一挑战。卡内基梅隆大学机械工程教授Rreeja Jayan领导的研究团队利用化学气相沉积法（CVD），将气化的前驱体材料泵入一个装有MXene传感器的真空室。热气体在冷传感器上凝聚形成纳米涂层，其方式类似于在炎热天气下冰冷水杯表面凝结水珠的过程。
基于MXene的气体传感器结构及制造示意图
没有聚合物涂层，MXene传感器仅能使用两个月，但采用聚合物涂层之后，该MXene传感器的有效工作时间超过了五个月。
传感机理示意图
该研究论文的第一作者、机械工程博士生Shwetha Sunil Kumar解释称：“我们发现该聚合物层还能促进一种化学反应，使MXene传感器能够检测空气中更低浓度的甲醛。由于新分子形成使传感器更敏感，我们开始思考，当MXene传感器性能开始退化时，能否通过促进更多这些分子的形成来帮助传感器再生。”
果然，研究团队发现通过在传感器寿命即将终结时引入湿度，可以使传感器恢复约90%的传感能力。
“我们合成的聚合物层具有良好的介电性且高度绝缘，可以作为有效的结构屏障。”Rreeja Jayan教授解释称，“这使得我们的传感器既稳定又可持续。”
由土木与环境工程助理教授Jerry Wang进行的模拟实验进一步证明了该传感器的有效性。通过测试大量不同分子通过聚合物层中的速度，团队确认聚合物层能迅速减缓氧气和水分渗透。
Rreeja Jayan教授相信这些材料可以应用到其它器件上，以提升使用寿命和性能。她目前正在开发类似技术以延长电池的寿命和安全性。
卡内基梅隆大学大气颗粒物研究中心主任、论文合著者Albert Presto认为，这项技术可以使室内空气质量传感器多功能化。该传感器可以轻松与手机或智能家居设备连接，随着持续的开发，他认为传感器总有一天可以直接涂装到墙壁上或缝入我们的衣物中，以实现持续监测。
“室内空气质量往往被忽视。”他说，“我们生活在一个到处都是塑料的世界里，这会对人体健康产生负面影响。我们希望人们更加关注室内污染物，以便他们能够做出明智的决定。只有这样我们才能改善室内空气质量并消除相关的健康风险。”
论文信息：DOI: 10.1126/sciadv.adu6682
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