课题基金 / 基金详情

声表面波高效剥离组装大面积二维MXenes材料及相关机理研究

批准号:
12104320
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
陶然
依托单位:
学科分类:
与声学有关的交叉领域
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
陶然

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
二维MXenes以其独特的化学、光学和电学性能成为气体传感,光电探测,电池储能等领域备受关注的新兴材料。如何制备大面积二维MXenes材料是应用的关键,尤其是系统研究其制备、结构与性能的关系可为开发具有优异性能的气敏薄膜提供相应的理论依据和设计方法。本项目针对现有合成方法和气敏性能存在的局限性,基于声表面波固液耦合效应,首次提出利用声表面波对Ti3AlC2材料进行声驱剥离和组装,合成大面积Ti3C2Tx超薄气敏膜的设计理论和方法。研究拟设计声表面波微离心(SAWM)剥离与组装一体化系统,采用理论分析与实验验证相结合的方法,揭示SAWM系统对多层Ti3C2Tx液相剥离和大面积Ti3C2Tx超薄膜声驱组装的调控机理,诠释Ti3C2Tx超薄膜对硫化氢气体的敏感特性,开发高灵敏度、低检测极限的硫化氢气体传感器。研究成果将为更多二维MXenes薄膜合成与气体传感应用开发提供可靠的理论依据和实验指导。
英文摘要
2D MXenes are emerging in the application fields of gas sensing, optoelectronic detection, and energy storage due to their unique chemical, optical and electrical properties. One of the key challenges of the gas sensing application is to synthesize large-area MXenes ultrathin films with outstanding performance. A systematic study of the inner connection between the synthesis, film structure, and gas sensing properties is demanded to provide the theoretical guideline and design methods. We propose a novel pathway to acoustically exfoliate and then assemble the large-area Ti3C2Tx ultrathin films using surface acoustic waves (SAWs) for the first time. The method, based on the acoustic streaming effect of SAWs, will overcome the limitations of current synthesis methods and gas sensing performance. In our work, a surface acoustic wave microcentrifuge (SAWM) system will be designed, integrating the acoustic exfoliation and assembly functions to synthesize uniform Ti3C2Tx thin films for enhanced gas sensing applications. We will clarify the control mechanism of the acoustic exfoliation and assembly using SAWM, and build the inner connection between the properties of Ti3C2Tx thin films and the H2S gas sensing performance. Eventually, an ultrasensitive H2S detector with an ultralow limit of detection will be developed. The outcome of our project will provide reliable theoretical and experimental guidelines for the synthesis of other MXenes ultrathin films with high quality, and deeply influence the development of their gas sensing application.
二维MXenes因其独特的化学、电学和光学性能,成为气体传感、光电探测、电池储能等领域备受关注的新兴材料。大面积MXenes薄膜合成通常由液相剥离与组装两步骤组成,当前常用剥离方法在产率与薄片尺寸方面难以提高,进而影响组装薄膜的均匀性与致密性,使得合成大面积单层MXenes薄膜存在瓶颈,同时相应的气敏性能与理论预期相距甚远。本项目引入声表面波固液耦合效应作为二维Ti3C2Tx薄膜合成方法中的驱动因素,开创性地采用声驱剥离与声驱组装方法合成大面积Ti3C2Tx超薄气敏膜,并应用于高灵敏和超低检测极限的H2S气敏传感。研究成果主要包括:(1)设计并制造具有四错位叉指声表面波微离心(SAWM)系统,采用有限元分析计算反应池内悬浊液声压分布、流速、颗粒表面剪切力受SAW模态(波长)和输入功率的影响;(2)利用声表面波驱动对风琴状MXenes材料进行液相剥离,优化剥离时间、剥离功率及器件波长三大工艺参数,在最优参数(输入功率2.5W,波长200μm,剥离时间7min)下获得100%的SL-MXenes薄片(n≤5)产率,单片平均横向尺寸达到7.37µm,最大横向尺寸超过20µm;(3)采用SAWM系统组装SL-MXene薄膜,其面积仅受微型反应池截面面积控制,覆盖率达到86.47%,平均厚度≤15nm,电阻达到105Ω;(4)以电阻式传感器为基底,采用SAWM系统剥离-组装一体化制备SL-MXene薄膜,实现具有高选择性H2S气体传感器,其在低H2S浓度(25~500ppb)环境下灵敏度可达12.4%/ppm,最低实验检测极限为25ppb,当测试浓度为10ppm H2S气体时,对比旋涂和滴涂方式制备的薄膜,响应值分别提高了1.2倍和3.2倍,具有更强的气敏响应性能,当背景气体中存在NH3、CH4、NO2、H2等非气体时,SAWM制备H2S气体传感器也表现出了极强的抗干扰性,具备优秀的气敏响应选择性。基于SAWM系统的新式剥离-组装一体化SL-MXenes薄膜制备工艺为其在气体传感领域突破现有检测极限与灵敏度提供新路径,为非侵入性疾病诊断、环境监控等ppb级气体探测应用打开了一个新窗口。此外,本项目资助下发表SCI论文8篇,申请发明专利3项,参加国内、国际会议3次,培养硕士研究生6名。
基于声表面波的细胞增殖分子机制研究平台
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    15.0万元
  • 批准年份:
    2024
  • 负责人:
    陶然
  • 依托单位:
国内基金
海外基金