团队硕士生陈崴Chemical Physics Letters：通过双过渡金属MXene实现室温下强响应和超快恢复的氨气传感

2025年10月5日，Chemical Physics Letters期刊线上发表了课题组的最新成果：Room-temperature, ultrafast-recovery ammonia sensors via double transition metal TiNbC MXene nanosheets (https://doi.org/10.1016/j.cplett.2025.142464)。该工作共同第一作者为广州大学联培硕士生陈崴、松山湖材料实验室田恩泽副研究员，通讯作者为广州大学张绍林副教授，共同作者包括广州大学联培硕士生方聪，以及浙江钱塘基础科学研究院刘科海副教授。

【论文摘要】

可在室温下实现强响应和超快恢复的氨气检测对于人体健康和工业安全至关重要。MXenes因其大比表面积、高载流子迁移率而吸引了室温氨气传感的关注。然而，目前研究中MXene基室温氨气传感的恢复时间较长（>200 s），限制了它们的应用。本研究中，利用TiNbC（一种双过渡金属MXene）的强电导率，我们开发了一种氨气传感器，实现了在室温、50 ppm浓度开关下的超快恢复时间（6 s），显著优于其他MXene基传感器，同时保持高灵敏响应（11.5%）。第一性原理计算揭示了氨气和TiNbC之间合适强度的电荷转移（0.189 eV），证实了其高灵敏和快速恢复的特性。这项工作拓宽了双过渡金属MXene材料在气体传感方面的应用。

【研究成果】

TiNbC MXene是通过对前驱体TiNbAlC进行化学刻蚀获得的，XRD图谱中前驱体与MXene特征峰的对比分析证实了在刻蚀过程中铝等杂质被有效去除，表明MXene已成功制备。进一步借助SEM、TEM和EDS等表征手段，验证了所制备材料为结构致密的单层或少层MXene薄膜。

图1. TiNbC气体传感器的制备和表征。（a）TiNbC气体传感器示意图，（b）TiNbAlC和TiNbC的XRD图谱，（c）TiNbC的TEM图像，（d）TiNbC的HRTEM图像，（e）TiNbC的SEM图像和EDS图谱。

为进一步分析TiNbC MXene的化学组成与表面状态，采用X射线光电子能谱（XPS）进行表征。图谱显示在C 1s、O 1s、Nb 3d和Ti 2p四个主要区域均存在明显信号。对C 1s谱图进行分峰拟合，可识别出C–C、C=C、C–O及C–Nb等化学键；Nb 3d谱图中则拟合得到Nb₂O₅、NbO₂和NbC_x等组分；Ti 2p谱中可分辨出TiO₂、TiO_x、Ti–OH以及不同价态钛物种（Ti (IV)、Ti (III)、Ti (II)等）。这些拟合结果与文献中报道的双过渡金属MXene化学态高度一致，进一步证实了TiNbC的成功制备及其表面化学状态，支持了Al层被有效去除并形成官能化MXene结构的结论。

图2. TiNbC的XPS表征。来自TiNbC纳米杂化体的（a）C 1 s、（b）O 1 s、（c）Nb 3d和（d）Ti 2p的高分辨率XPS光谱，显示了TiNbC纳米杂化体的化学成分和结构。

对制备的TiNbC器件进行氨气的循环测试，传感器表现出n型传感行为，50 ppm浓度的氨气响应值为11.5%，且恢复时间极快，仅为6 s，在现有MXene基室温氨气传感器研究中显示出最优性能。在多次重复实验中，展现出响应值的一致性；在10 ppm到100 ppm浓度下的动态测试中，传感器的响应值随着氨气浓度的增加而增加，并均显示出超快的恢复速度，通过线性回归分析呈现出近线性关系 (R² = 0.998)。

图3. TiNbC传感器的氨气传感性能。（a）TiNbC的I-V曲线。（b）对50 ppm氨气的响应（ΔR/R₀）曲线。t_rec表示传感器的恢复时间。（c）TiNbC和其他基于MXene的室温氨气传感材料的ΔR/R₀和t_rec的比较。（d）TiNbC传感器对50 ppm氨气的重复传感性能，（e）对10-100 ppm氨气的响应曲线，（f）对氨气的响应线性范围。

将制备好的TiNbC器件进行气体的选择性测试，对相同浓度的甲醇、乙醇、苯、氨气、乙腈和异丙醇六种气体测试中，器件表现出对氨气的高响应。为了进一步验证对氨气的选择性，通过第一性原理计算TiNbC与气体分子产生的吸附能，电荷转移以及吸附的距离。结果表明TiNbC对氨气的吸附能最高，电荷转移最多，且吸附的距离最短，并通过公式验证了其具有快速恢复的特点。

图4. TiNbC气体传感器的选择性测试和DFT计算。（a）室温下TiNbC对不同气体浓度50 ppm的响应。（b）吸附在TiNbC单层上的乙腈、乙醇、异丙醇、苯、甲醇和氨气分子的总电荷密度。

【成果小结】

本工作提出了一种新型的双金属TiNbC MXene基气体传感器，该传感器在室温下对50 ppm氨气表现出显著的响应（11.5%）和超快恢复时间（6 s），其主要原因是氨气在TiNbC上的结合能处于合适区间。通过第一性原理计算验证了TiNbC优越的氨气选择性，是因为氨气相对其他气体具备与TiNbC之间更强的电荷转移（0.203 eV），更强的吸附能（−0.189 eV），以及更短的分子间距离（1.952 Å）。这些结果突出了TiNbC MXene作为一种非常有前途的室温氨气传感应用材料，并拓宽了双过渡金属MXene材料在气体传感方面的应用。

本文引用格式

W. Chen, E. Tian, C. Fang, K. Liu, S. Zhang, Chemical Physics Letters, 2026, 882, 142464. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2025.142464

该工作受到广东省基础与应用基础研究重大项目（2021B0301030002）、国家自然科学基金（U24A20285）、广州市教育局材料科学与工程重点学科（421 202255464）、行星科学与超级计算联合实验室开放项目（CSYYGS-QT2024-14）、广州国家苏超级计算机中心、成都国家超级计算中心、广州大学网络中心和杭州钱塘教育基金会的支持，特此致谢。