综述：基于MXene的气体传感器：表面终止态的作用、稳定性挑战及器件工程

《Sensors and Actuators A: Physical》：MXene-based gas sensors: Role of surface terminations, stability challenges, and device engineering

　　

王璐宇|宋佳

中国浙江省工商大学杭州商学院，杭州311599

摘要

由于其高导电性和可调的表面化学性质，MXenes在室温气体传感领域受到了越来越多的关注。通过合成和后处理控制产生的表面端基（-O、-OH、-F）决定了工作函数、吸附强度和电荷转移，从而影响传感器的灵敏度、选择性和响应动态。然而，这些相同的反应性表面化学性质也导致了主要的可靠性问题，包括氧化引起的降解、湿度干扰和长期信号漂移。本综述将合成途径与端基来源联系起来，通过整合密度泛函理论（DFT）和实验证据总结了端基依赖的传感机制，并对稳定性瓶颈进行了批判性讨论。我们还强调了平衡性能和鲁棒性的器件工程策略——包括钝化/功能化、复合材料和异质结构、架构优化（自加热、微加热板、光激活）以及系统级漂移缓解。最后，概述了确定性端基控制、标准化基准测试和可扩展制造的关键机会，以实现实用的基于MXenes的气体传感器。

引言

气体传感器在环境监测、工业安全、医疗诊断和智能传感系统中发挥着至关重要的作用[1]、[2]、[3]。随着物联网（IoT）和可穿戴电子设备的快速发展，对高灵敏度、快速响应、低功耗和室温操作的气体传感器的需求正在增加[4]、[5]。基于金属氧化物半导体的传统气体传感器已经得到了广泛的研究和商业化；然而，其高工作温度、有限的选择性和较差的长期稳定性仍然是下一代应用中的关键挑战[6]、[7]。

近年来，二维（2D）材料由于其较大的比表面积、可调的电子性质和丰富的表面活性位点，成为气体传感领域有前景的候选材料[8]、[9]。其中，MXenes（一类具有通式M???X?T?的二维过渡金属碳化物和氮化物）在气体传感研究中引起了极大的关注[10]、[11]。自2011年首次报道以来，MXenes展示了独特的优势，包括金属或半金属导电性、亲水表面以及与气体分子的强相互作用，使得在室温下实现低功耗气体传感成为可能[12]、[13]。

MXenes的一个显著特征是表面终止基团的存在（通常是-O、-OH和-F），这些基团是在MAX相的选择性蚀刻过程中引入的[14]。这些表面终止基团极大地影响了MXenes的电子结构、表面化学性质和吸附行为[15]。实验和理论研究表明，不同的终止物种显著影响工作函数、载流子浓度和气体吸附能量，从而直接影响传感器的灵敏度、选择性和响应动态[16]、[17]、[18]。因此，表面终止基团通常被认为是基于MXenes的传感器气体传感性能的关键决定因素[19]。

尽管基于MXenes的气体传感器发展迅速，但仍存在一些阻碍其实际应用的关键挑战。最紧迫的问题是MXenes的环境稳定性较差。暴露在氧气、湿气和高温环境中常常会导致表面氧化和结构降解，从而导致性能下降和信号漂移[20]、[21]。此外，MXenes对水分子的强烈亲和力（主要与-OH端基有关）会导致严重的湿度干扰，这仍然是实际条件下可靠气体检测的主要障碍[22]、[23]。这些与稳定性相关的问题经常在个别研究中提到，但很少以系统和批判性的方式进行讨论。

此外，尽管许多报告关注通过材料合成和成分设计来提高气体检测性能，但器件工程的作用（如表面钝化、复合材料形成、异质结构构建和传感器架构优化）尚未得到全面总结[24]、[25]、[26]。实际上，器件层面的策略越来越被视为同时提高检测性能和稳定性的有效方法，从而建立了基础材料特性与实际传感器应用之间的联系[27]。

最近的研究通过复合设计和协同机制进一步推进了基于MXenes的气体传感器的发展。例如，V?CTx/SnS?异质结构在室温下表现出显著增强的NO?检测性能[28]，而基于MXenes的复合材料（如MXene/石墨烯、MXene/金属氧化物、MXene/聚合物）已被广泛探索以提高灵敏度、选择性和稳定性[29]。此外，MXene-TMD和混合系统展示了更好的灵活性、低功耗操作和改进的传感性能[30]，进一步凸显了该领域近年来的快速发展[31]。一些综述探讨了MXenes在传感应用中的作用，或广泛讨论了基于二维材料的气体传感器。然而，仍然缺乏一个专注于将表面终止类型与传感机制联系起来、批判性分析稳定性挑战并突出基于MXenes的气体传感器独特器件工程策略的全面深入的综述[32]、[33]。因此，对这些方面的全面和最新的综述是及时且必要的。

如图1所示，在本综述中，我们系统地总结了基于MXenes的气体传感器的最新发展，重点关注几个关键方面：表面终止结构在调节电子结构和气体传感机制中的作用、氧化、湿度和长期操作所带来的稳定性挑战，以及旨在提高传感性能和环境耐受性的器件工程策略。最后，讨论了当前的局限性和未来研究方向，为基于MXenes的气体传感器的合理设计和实际应用提供了指导。

部分摘录

MXenes的合成途径和终止基团的来源

MXenes通常是通过从其母体MAX相（M???AX?）中选择性蚀刻“A”层来合成的，形成层状的二维过渡金属碳化物或氮化物[34]。在这个蚀刻过程中，不可避免地会引入表面终止基团，这使得MXenes与其他二维材料（如石墨烯或MoS?）有根本的不同。重要的是，合成途径不仅决定了MXenes的结构完整性，还控制了

表面终止基团在气体传感机制中的作用

基于上述可控的表面终止策略，以下部分重点讨论了这些工程化的终止基团如何影响MXenes的电子结构和气体传感机制。

基于MXenes的气体传感器的稳定性挑战

尽管表面终止基团使MXenes具有有前景的气体传感性能，但其实际应用受到稳定性相关问题的严重限制[78]、[84]。这些挑战主要源于MXenes本身的化学反应性，特别是它们对氧气和水分子的强烈亲和力[85]，以及在工作条件下的表面终止基团的动态演变[86]。理解潜在的降解机制

解决稳定性和性能问题的器件工程策略

为了克服基于MXenes的气体传感器固有的稳定性限制，同时保持其高灵敏度，人们投入了大量努力进行器件工程设计[84]。与纯粹基于材料的方法不同，器件工程通过整合表面保护、复合设计和架构优化提供了实用且可扩展的解决方案[19]。这些策略旨在平衡表面反应性、环境鲁棒性和传感性能，从而

与其他二维材料的比较

为了全面评估基于MXenes的气体传感器的优势和局限性，有必要将其与其他广泛研究的二维材料进行比较，特别是石墨烯和过渡金属硫属化物（TMDs）如MoS?。尽管这些材料在结构上具有相似性，但它们的气体传感机制、稳定性和器件集成特性存在显著差异[121]，如表1所示。

挑战和未来展望

尽管在基于MXenes的气体传感器方面取得了显著进展，但仍有一些根本性挑战需要解决，否则这些传感器无法在实际应用中得到广泛推广。这些挑战源于MXenes的固有特性，特别是其表面化学性质、环境敏感性和器件集成的复杂性。为了解决这些问题，需要在材料科学和器件

CRediT作者贡献声明

王璐宇：撰写——原始草稿，资金获取，概念化。宋佳：撰写——审阅与编辑，可视化，软件，研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：62001420）、浙江省自然科学基金（项目编号：LQ21F010017）、校企合作教育计划（项目编号：220400576262052）以及浙江工商大学杭州商学院科学基金、浙江工商大学（ZJHZCC）（项目编号：2222111）的支持。

王璐宇在上海大学获得了凝聚态物理学博士学位。他的研究兴趣包括纳米材料的合成及其在气体传感器中的应用。