综述：用于柔性和可穿戴气体传感器的二维纳米材料研究进展
2024-01-27 09:05:14 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本文探讨了用于开发柔性和可穿戴气体传感器的各种二维纳米材料的特性，阐释了这些材料在原始形态、修饰形态以及复合形态下的应用，旨在实现柔性和可穿戴气体传感器的开发。
气体传感器在监测和识别有害气体及蒸汽方面发挥重要作用。传统上，气体传感器主要是基于刚性衬底来制备的。随着物联网（IoT）和医疗设备等领域的发展，对柔性和可穿戴气体传感器的需求日益增长。在开发柔性和可穿戴气体传感器方面，最具潜力的材料是二维（2D）半导体纳米材料，这些材料主要包括石墨烯及其衍生物、过渡金属硫族化合物（TMD）和MXenes等。这些二维纳米材料不仅具有良好的机械柔韧性、高电荷载流子迁移率、大表面积、丰富的缺陷和悬挂键（dangling bonds），并且在某些情况下还具备良好的透明性和易合成性。这些特性使得二维纳米材料成为制备柔性和可穿戴气体传感器的理想选择。
据麦姆斯咨询报道，近期，韩国汉阳大学（Hanyang University）、仁荷大学（Inha University）等机构的研究人员在Chemosphere期刊上发表了题为“2D nanomaterials for realization of flexible and wearable gas sensors: A review”的综述文章，探讨了二维柔性和可穿戴气体传感器领域的最新进展，并详细分析了多种适用于柔性和可穿戴气体传感器的二维纳米材料的特性。这项研究为致力于柔性和可穿戴气体传感器开发和研究的专业人员提供了极具价值的参考。
图1 本研究的图文摘要
这篇综述文章回顾了近期二维柔性和可穿戴气体传感器领域的研究进展，阐释了基于不同二维纳米材料的柔性和可穿戴气体传感器的开发策略，着重分析了石墨烯及其衍生物、过渡金属硫族化合物（TMD）、金属氧化物半导体（MOS）、黑磷（BP）、石墨相氮化碳（g-C₃N₄）和MXenes等二维纳米材料的传感机制以及优缺点。相较于其它综述论文，该文章的独特之处在于：一方面，全面概述了基于二维纳米材料开发的柔性和可穿戴气体传感器用于检测有害气体的性能；另一方面，通过详实的案例和数据阐释了二维纳米材料作为气体传感器柔性衬底的性能。
图2 用于开发柔性和可穿戴气体传感器的传统及新兴二维纳米材料
图3 基于激光直写石墨烯（LSG）的气体传感器相关研究
图4 基于二硫化钼（MoS₂）和还原氧化石墨烯（rGO）的气体传感器相关研究
图5 末端修饰Ti₃C₂Tx的制备及形貌研究
图6 MXene/GO混合纤维用于气体传感的相关研究
研究结论及展望
在这篇综述文章中，研究人员探讨了用于开发柔性和可穿戴气体传感器的各种二维纳米材料的特性，阐释了这些材料在原始形态、修饰形态以及复合形态下的应用，旨在实现柔性和可穿戴气体传感器的开发，主要结论和未来展望如下：
1. 在各种二维纳米材料中，MXenes和TMD因其可调节的带隙和室温下的高导电性，在气敏应用中备受关注。然而，要想进一步提升其性能，还需借助各种技术手段进行改进。
2. 值得关注的是，虽然有很多研究报道了柔性和可穿戴气体传感器在弯曲条件下或经历多次弯曲循环后的性能，但在扭曲或拉伸条件下的传感性能却鲜少被关注，而这在实际应用中非常重要。
3. 鉴于柔性和可穿戴气体传感器应在室温下工作，减少潮湿空气的影响至关重要。因此，制备具有更强疏水性的传感层表面非常关键。此外，关于传感层厚度对传感性能的影响，需进一步深入探究。
4. 在未来的研究中，需进一步探索高能辐照的影响以及传感器在自热模式下的性能。此外，在气体传感器表面修饰贵金属是提高二维纳米材料对特定气体选择性的有效策略，值得进一步研究。
5. 目前，柔性气体传感器还未实现大规模商业应用，多用于实验室研究。为了推动这类传感器向商业产品转型，需要解决包括材料和制造工艺在内的多项挑战。
6. 在传感材料方面，二维纳米材料因其在室温下的出色性能和形态灵活性，被视为实现柔性和可穿戴气体传感器的理想材料。但为了实现商业化，其响应速度、耐久性、可逆行为、长期稳定性、选择性、重复性和传感动力学等方面仍需改进。此外，由于实际应用中可能面临极端的弯曲、折叠和拉伸，因此，寻找一种完美的柔性衬底以满足各种恶劣条件下的应用仍充满挑战。
7. 从制造角度来看，大多数柔性衬底与传统刚性气体传感器的制造方法不兼容，因此开发与现有柔性衬底相适用的技术至关重要。此外，在开发新技术时，应兼顾成本效益、产量和传感器性能。
8. 目前，印刷技术有望成为生产大规模柔性电子器件的最有前途的方法，基于该技术可实现在柔性衬底上高效且低温地制造电路。不过，其它更可靠、低成本且高产量的大规模制造技术也仍有待开发。此外，人工智能（AI）和信号处理的应用，可能使柔性和可穿戴气体传感器成为物联网中自动化传感器网络和系统的一部分，有望为其商业前景带来新的机遇。
论文信息：https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2024.141234
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