氨已被用作指示食品變質(zhì)程度的重要標(biāo)志。然而，目前氨氣傳感器的靈敏度和選擇性不足，自動化水平不理想，阻礙了其在食品質(zhì)量現(xiàn)場實(shí)時監(jiān)測中的實(shí)際應(yīng)用。為了克服這些局限性，我們提出了在二維過渡金屬碳化物(Ti
3C
2T
x, MXene)上原位生長(001)TiO
2的傳感材料設(shè)計。在本設(shè)計中，具有高活性(001)晶面的TiO
2在UV照射下能夠高效地產(chǎn)生光，而Ti
3C
2T
x可以通過與TiO
2界面形成的肖特基結(jié)存儲空穴，極大地促進(jìn)了電子-空穴對的分離，從而提高了氨傳感性能。通過進(jìn)一步引入紫外光進(jìn)行電子激發(fā)，(001)TiO
2/Ti
3C
2T
x傳感器對氨(30 ppm)的靈敏度比Ti
3C
2T
x高34倍。密度泛函理論進(jìn)一步表明，TiO
2和Ti
3C
2T
x復(fù)合構(gòu)型的(001)面對氨的吸附親和力最高。最后，設(shè)計了一種包含近場通信和微控制器的集成電路報警系統(tǒng)，用于檢測新鮮豬肉、魚、蝦的腐爛過程。我們相信這種傳感技術(shù)在食品質(zhì)量監(jiān)測方面有很大的前景。
圖1 (a)基于(001)TiO
2/Ti
3C
2T
x的傳感器材料制備工藝。(b)類手風(fēng)琴的Ti
3C
2T
x， (c) (001)TiO
2/Ti
3C
2T
x復(fù)合材料的SEM圖像，(d) Ti, O, C . (e-g) TiO
2/Ti
3C
2T
x復(fù)合材料的EDX元素映射。
圖2 (a) X射線衍射模式。(b) (001)TiO
2/Ti
3C
2T
x和Ti
3C
2T
x的Raman圖譜。(c)氨吸附T-T-12 h前后的紅外光譜。Ti
3C
2T
x和(001)TiO
2/Ti
3C
2T
x復(fù)合材料的XPS譜分別為Ti 2p (d)、O 1s (e)和C 1s (f)。
圖3 (a)動態(tài)電阻曲線，(b)動態(tài)響應(yīng)曲線，(c)函數(shù)擬合曲線，(d)純Ti
3C
2T
x和(001)TiO
2/Ti
3C
2T
x基傳感器對30ppm氨的響應(yīng)恢復(fù)曲線。(e)基于T-T-12 h的氨氣傳感器的重復(fù)性為0.25,1和10ppm。(f)純Ti
3C
2T
x和(001)TiO
2/Ti
3C
2T
x傳感器的選擇性。
圖4. (a) T-T-8 h、T-T-12 h、T-T-16 h和T-T-32 h基傳感器對紫外線照射下5ppm氨的傳感響應(yīng)。室溫下UV光照對t - t - 12h傳感器的影響:(b)動態(tài)響應(yīng)曲線，(c)氨濃度為50ppb ~ 30ppm時的函數(shù)擬合曲線;(d)氨濃度為5 ~ 40ppb時的動態(tài)響應(yīng)曲線;(e)氨濃度為5 ~ 40ppb時的函數(shù)擬合曲線。(f) T-T-12 h型傳感器接觸氨5個月后的反應(yīng)。(g) 5個氨傳感器的重現(xiàn)性。(h)基于T-T-12 h的傳感器在紫外線照射下對1ppm氨的響應(yīng)，RH從11到83%。(i)基于T-T-12 h的傳感器的響應(yīng)、響應(yīng)/恢復(fù)時間與RH圖。
圖5 (a) Ti
3C
2O
2、(001)TiO
2/Ti
3C
2O
2、(010)TiO
2/Ti
3C
2O
2和(110)TiO
2/Ti3C
2O
2上最穩(wěn)定吸附構(gòu)型的頂部和(b)側(cè)視圖。(C) Ti
3C
2O
2和(d) (001)TiO
2/Ti
3C
2O
2氨氣吸附后的電荷密度。(001)TiO
2/Ti
3C
2O
2的TDOS和PDOS (e)氨吸附前和(f)后。
圖6 (a) Ti
3C
2T
x和(001)TiO
2的能帶圖，(b) UV照射下氨氣傳感機(jī)理示意圖。
圖(7) 鮮(a-b)魚、鮮(c-d)豬肉、鮮(e-f)蝦在不同時間間隔內(nèi)對不同濃度氨的反應(yīng)圖。
圖8 (a)集成電路報警系統(tǒng)框圖。監(jiān)測(b)未腐爛、(c)開始腐爛和(d)腐爛的魚的當(dāng)前狀態(tài)。
相關(guān)科研成果由中國石油大學(xué)Dongzhi Zhang 和Jingbin Zeng等人于2021年發(fā)表在Journal of Hazardous Materials（https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.127160）上。原文：UV Illumination-Enhanced Ultrasensitive Ammonia Gas Sensor Based on (001)TiO
2/MXene Heterostructure for Food Spoilage Detection。
轉(zhuǎn)自《石墨烯雜志》公眾號
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