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       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(dòng)化水平不理想，阻礙了其在食品質(zhì)量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(guò)渡金屬碳化物(Ti₃C₂T_x, MXene)上原位生長(zhǎng)(001)TiO₂的傳感材料設(shè)計(jì)。在本設(shè)計(jì)中，具有高活性(001)晶面的TiO₂在UV照射下能夠高效地產(chǎn)生光，而Ti₃C₂T_x可以通過(guò)與TiO₂界面形成的肖特基結(jié)存儲(chǔ)空穴，極大地促進(jìn)了電子-空穴對(duì)的分離，從而提高了氨傳感性能。通過(guò)進(jìn)一步引入紫外光進(jìn)行電子激發(fā)，(001)TiO₂/Ti₃C₂T_x傳感器對(duì)氨(30 ppm)的靈敏度比Ti₃C₂T_x高34倍。密度泛函理論進(jìn)一步表明，TiO₂和Ti₃C₂T_x復(fù)合構(gòu)型的(001)面對(duì)氨的吸附親和力最高。最后，設(shè)計(jì)了一種包含近場(chǎng)通信和微控制器的集成電路報(bào)警系統(tǒng)，用于檢測(cè)新鮮豬肉、魚(yú)、蝦的腐爛過(guò)程。我們相信這種傳感技術(shù)在食品質(zhì)量監(jiān)測(cè)方面有很大的前景。
 
  
圖1 (a)基于(001)TiO₂/Ti₃C₂T_x的傳感器材料制備工藝。(b)類手風(fēng)琴的Ti₃C₂T_x， (c) (001)TiO₂/Ti₃C₂T_x復(fù)合材料的SEM圖像，(d) Ti, O, C . (e-g) TiO₂/Ti₃C₂T_x復(fù)合材料的EDX元素映射。
 
 
圖2 (a) X射線衍射模式。(b) (001)TiO₂/Ti₃C₂T_x和Ti₃C₂T_x的Raman圖譜。(c)氨吸附T-T-12 h前后的紅外光譜。Ti₃C₂T_x和(001)TiO₂/Ti₃C₂T_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(dòng)態(tài)電阻曲線，(b)動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線，(c)函數(shù)擬合曲線，(d)純Ti₃C₂T_x和(001)TiO₂/Ti₃C₂T_x基傳感器對(duì)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Ti₃C₂T_x和(001)TiO₂/Ti₃C₂T_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(duì)紫外線照射下5ppm氨的傳感響應(yīng)。室溫下UV光照對(duì)t - t - 12h傳感器的影響:(b)動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線，(c)氨濃度為50ppb ~ 30ppm時(shí)的函數(shù)擬合曲線;(d)氨濃度為5 ~ 40ppb時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線;(e)氨濃度為5 ~ 40ppb時(shí)的函數(shù)擬合曲線。(f) T-T-12 h型傳感器接觸氨5個(gè)月后的反應(yīng)。(g) 5個(gè)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(duì)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(shí)間與RH圖。
 
  
圖5 (a) Ti₃C₂O₂、(001)TiO₂/Ti₃C₂O₂、(010)TiO₂/Ti₃C₂O₂和(110)TiO₂/Ti3C₂O₂上最穩(wěn)定吸附構(gòu)型的頂部和(b)側(cè)視圖。(C) Ti₃C₂O₂和(d) (001)TiO₂/Ti₃C₂O₂氨氣吸附后的電荷密度。(001)TiO₂/Ti₃C₂O₂的TDOS和PDOS (e)氨吸附前和(f)后。
 
  
圖6 (a) Ti₃C₂T_x和(001)TiO₂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(yú)、鮮(c-d)豬肉、鮮(e-f)蝦在不同時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)不同濃度氨的反應(yīng)圖。
 
  
圖8 (a)集成電路報(bào)警系統(tǒng)框圖。監(jiān)測(cè)(b)未腐爛、(c)開(kāi)始腐爛和(d)腐爛的魚(yú)的當(dāng)前狀態(tài)。
 
       相關(guān)科研成果由中國(guó)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)TiO₂/MXene Heterostructure for Food Spoilage Detection。

轉(zhuǎn)自《石墨烯雜志》公眾號(hào)