氨已被用作指示食品变质程度的重要标志。然而，目前氨气传感器的灵敏度和选择性不足，自动化水平不理想，阻碍了其在食品质量现场实时监测中的实际应用。为了克服这些局限性，我们提出了在二维过渡金属碳化物(Ti₃C₂T_x, MXene)上原位生长(001)TiO₂的传感材料设计。在本设计中，具有高活性(001)晶面的TiO₂在UV照射下能够高效地产生光，而Ti₃C₂T_x可以通过与TiO₂界面形成的肖特基结存储空穴，极大地促进了电子-空穴对的分离，从而提高了氨传感性能。通过进一步引入紫外光进行电子激发，(001)TiO₂/Ti₃C₂T_x传感器对氨(30 ppm)的灵敏度比Ti₃C₂T_x高34倍。密度泛函理论进一步表明，TiO₂和Ti₃C₂T_x复合构型的(001)面对氨的吸附亲和力最高。最后，设计了一种包含近场通信和微控制器的集成电路报警系统，用于检测新鲜猪肉、鱼、虾的腐烂过程。我们相信这种传感技术在食品质量监测方面有很大的前景。
 
  
图1 (a)基于(001)TiO₂/Ti₃C₂T_x的传感器材料制备工艺。(b)类手风琴的Ti₃C₂T_x， (c) (001)TiO₂/Ti₃C₂T_x复合材料的SEM图像，(d) Ti, O, C . (e-g) TiO₂/Ti₃C₂T_x复合材料的EDX元素映射。
 
 
图2 (a) X射线衍射模式。(b) (001)TiO₂/Ti₃C₂T_x和Ti₃C₂T_x的Raman图谱。(c)氨吸附T-T-12 h前后的红外光谱。Ti₃C₂T_x和(001)TiO₂/Ti₃C₂T_x复合材料的XPS谱分别为Ti 2p (d)、O 1s (e)和C 1s (f)。
 
 
图3 (a)动态电阻曲线，(b)动态响应曲线，(c)函数拟合曲线，(d)纯Ti₃C₂T_x和(001)TiO₂/Ti₃C₂T_x基传感器对30ppm氨的响应恢复曲线。(e)基于T-T-12 h的氨气传感器的重复性为0.25,1和10ppm。(f)纯Ti₃C₂T_x和(001)TiO₂/Ti₃C₂T_x传感器的选择性。
 
  
图4. (a) T-T-8 h、T-T-12 h、T-T-16 h和T-T-32 h基传感器对紫外线照射下5ppm氨的传感响应。室温下UV光照对t - t - 12h传感器的影响:(b)动态响应曲线，(c)氨浓度为50ppb ~ 30ppm时的函数拟合曲线;(d)氨浓度为5 ~ 40ppb时的动态响应曲线;(e)氨浓度为5 ~ 40ppb时的函数拟合曲线。(f) T-T-12 h型传感器接触氨5个月后的反应。(g) 5个氨传感器的重现性。(h)基于T-T-12 h的传感器在紫外线照射下对1ppm氨的响应，RH从11到83%。(i)基于T-T-12 h的传感器的响应、响应/恢复时间与RH图。
 
  
图5 (a) Ti₃C₂O₂、(001)TiO₂/Ti₃C₂O₂、(010)TiO₂/Ti₃C₂O₂和(110)TiO₂/Ti3C₂O₂上最稳定吸附构型的顶部和(b)侧视图。(C) Ti₃C₂O₂和(d) (001)TiO₂/Ti₃C₂O₂氨气吸附后的电荷密度。(001)TiO₂/Ti₃C₂O₂的TDOS和PDOS (e)氨吸附前和(f)后。
 
  
图6 (a) Ti₃C₂T_x和(001)TiO₂的能带图，(b) UV照射下氨气传感机理示意图。
 
  
图(7) 鲜(a-b)鱼、鲜(c-d)猪肉、鲜(e-f)虾在不同时间间隔内对不同浓度氨的反应图。
 
  
图8 (a)集成电路报警系统框图。监测(b)未腐烂、(c)开始腐烂和(d)腐烂的鱼的当前状态。
 
       相关科研成果由中国石油大学Dongzhi Zhang 和Jingbin Zeng等人于2021年发表在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)TiO₂/MXene Heterostructure for Food Spoilage Detection。

转自《石墨烯杂志》公众号