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Molten salt-modified Ti3C2Tx MXene with tunable oxygen-functionalized surfaces for effective detection of NO2 at room temperature

MXenes公司 材料科学 密度泛函理论 吸附 盐(化学) 氧气 化学工程 X射线光电子能谱 选择性 功能群 表面改性 共价键 纳米技术 物理化学 计算化学 复合材料 聚合物 有机化学 化学 催化作用 工程类
作者
Lu Tang,Huimin Yang,Huajing Wang,Yazhou Yang,Xiaoxia Wang,Gen Tang,Dawen Zeng
出处
期刊:Ceramics International [Elsevier]
卷期号:50 (12): 21619-21629 被引量:4
标识
DOI:10.1016/j.ceramint.2024.03.274
摘要

The abundant tunable functional groups and room-temperature sensing properties of MXenes have garnered increasing interest in the field of gas sensing. However, the majority of research has exclusively focused on the combined impact of external substances with MXenes functional groups, with limited exploration into the modulation of MXenes' intrinsic functional groups. In this work, we successfully produced molten salt-modified Ti3C2Tx MXene (M-Ti3C2Tx) with tunable oxygen-functionalized surfaces using the molten salt immersion method and employed it as a chemical resistive gas sensor to detect NO2 at room temperature (RT). Using diverse analytical techniques, we propose the O−addition effect on the surface titanium atoms and the O−substitution effect on the edge carbon atoms, refining the existence form of –O functional groups as well as realizing the effective regulation of the intrinsic functional groups. With a high response (∼25.87%−100 ppm NO2, whose response value is five times higher than that of pristine Ti3C2Tx), relatively rapid response speed (∼99 s−25 ppm NO2), high sensitivity (∼0.29 ppm−1), low detection limits (theoretical LoD is 3.3 ppm), good selectivity and long-term stability (maintain stable within 28 days) at RT, the sensor based on M-Ti3C2Tx demonstrates excellent NO2 sensing performance. To understand the sensing mechanism, density functional theory (DFT) calculations were conducted to explore adsorption behaviors. Theoretical analysis validates that M-Ti3C2Tx has a stronger adsorption capacity for NO2 (Ead = −1.149 eV) owing to the formation of covalent bond between the –O functional group and the nitrogen atom of NO2. The application of the molten salt can effectively modulate the intrinsic functional groups of MXenes, expanding the scope of MXenes surface modification engineering and creating new opportunities for enhancing the gas sensing capabilities of MXenes.
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