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- 聚合物涂層將 MXene 基空氣質(zhì)量傳感器的半衰期延長(zhǎng) 200% 并實(shí)現(xiàn)再生
- 來(lái)源：凱特琳・蘭德拉姆（卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)械工程系） 發(fā)表于 2025/7/18
圖片來(lái)源：Unsplash/CC0 公共領(lǐng)域
清潔用品、蠟燭、嬰兒床和化妝品等常見(jiàn)家用物品都會(huì)釋放甲醛。甲醛是一種無(wú)色無(wú)味的化學(xué)物質(zhì)，當(dāng)空氣中甲醛濃度超過(guò) 0.1ppm 時(shí)，會(huì)對(duì)人體健康構(gòu)成威脅。
為了讓室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)更加便捷，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究人員研發(fā)出了一種低成本、長(zhǎng)壽命的室內(nèi)甲醛傳感器。這種 MXene 基傳感器表面涂有一層獨(dú)特的聚合物涂層，不僅將其半衰期延長(zhǎng)了 200%，還能在性能開(kāi)始下降時(shí)實(shí)現(xiàn)再生。
MXene 是一類化合物，憑借其優(yōu)異的電學(xué)性能和多樣的表面化學(xué)性質(zhì)，在儲(chǔ)能和氣體傳感領(lǐng)域展現(xiàn)出良好前景。盡管有這些優(yōu)勢(shì)，但 MXene 極易氧化，尤其是在暴露于空氣和 / 或濕度環(huán)境中時(shí)，這對(duì) MXene 基空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀來(lái)說(shuō)是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。
本周發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上的一項(xiàng)新研究攻克了這一難題 —— 通過(guò)在 MXene 外部包裹一層聚合物涂層。機(jī)械工程學(xué)教授里賈・賈揚(yáng)帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)采用化學(xué)氣相沉積法（一種電子制造領(lǐng)域的基礎(chǔ)材料加工技術(shù)），將汽化的前驅(qū)體材料泵入裝有 MXene 傳感器的真空室中。高溫氣體發(fā)生聚合反應(yīng)，在低溫傳感器表面形成納米涂層，其原理類似于炎熱天氣里冰鎮(zhèn)玻璃杯外壁凝結(jié)水珠。
沒(méi)有聚合物涂層時(shí)，MXene 傳感器的使用壽命僅兩個(gè)多月；而涂上聚合物涂層后，傳感器可運(yùn)行五個(gè)多月。
該研究論文的第一作者、機(jī)械工程專業(yè)博士生施韋莎・蘇尼爾・庫(kù)馬爾在觀察期間發(fā)現(xiàn)了一個(gè)意外現(xiàn)象。
“我們發(fā)現(xiàn)，我們的聚合物涂層還能引發(fā)一種化學(xué)反應(yīng)，使傳感器能夠檢測(cè)到空氣中更低濃度的甲醛。由于會(huì)形成一種新分子來(lái)提高傳感器的靈敏度，我們開(kāi)始思考，當(dāng)傳感器性能開(kāi)始下降時(shí)，促使生成更多此類分子是否有助于傳感器再生，” 庫(kù)馬爾解釋道。
果不其然，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在傳感器使用壽命即將結(jié)束時(shí)，通過(guò)向其引入濕度，傳感器可恢復(fù)約 90% 的傳感能力。
“我們合成的聚合物涂層具有介電性和高絕緣性，能起到有效的結(jié)構(gòu)屏障作用，” 賈揚(yáng)解釋道，“這使得我們的傳感器既穩(wěn)定又可持續(xù)。”
土木與環(huán)境工程系助理教授杰瑞・王進(jìn)行的模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)了該傳感器的有效性。通過(guò)測(cè)試大量不同分子穿過(guò)涂層的速度，研究團(tuán)隊(duì)確認(rèn)，聚合物涂層能迅速減緩氧氣和水分的滲透。
賈揚(yáng)相信，這些材料可應(yīng)用于其他設(shè)備，以延長(zhǎng)其使用壽命并提升性能。她目前正在研發(fā)類似技術(shù)，旨在延長(zhǎng)電池壽命并提高其安全性。
卡內(nèi)基梅隆大學(xué)大氣顆粒物研究中心主任、該論文的合著者阿爾伯特・普雷斯托認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)能讓室內(nèi)空氣質(zhì)量傳感器的用途更加廣泛。這種傳感器可輕松與手機(jī)或智能家居設(shè)備連接，他相信，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)傳感器甚至可以涂在墻上或縫在衣服里，實(shí)現(xiàn)持續(xù)監(jiān)測(cè)。
“室內(nèi)空氣質(zhì)量往往被忽視，” 他說(shuō)，“我們生活在一個(gè)充斥著塑料制品的世界，這會(huì)帶來(lái)諸多影響。我們希望能讓人們更深入地了解室內(nèi)污染物，以便他們做出明智的決策。只有這樣，我們才能改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，消除潛在的健康風(fēng)險(xiǎn)�！�
更多信息：施韋莎・庫(kù)馬爾等，《通過(guò)引發(fā)化學(xué)氣相沉積（iCVD）進(jìn)行聚合物封裝以提高 Ti3C2Tx MXene 基甲醛傳感器的穩(wěn)定性》，《科學(xué)進(jìn)展》（2025 年）。DOI: 10.1126/sciadv.adu6682。www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu6682
期刊信息：《科學(xué)進(jìn)展》
由卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)械工程系提供
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