聚合物涂层将 MXene 基空气质量传感器的半衰期延长 200% 并实现再生

图片来源：Unsplash/CC0 公共领域

清洁用品、蜡烛、婴儿床和化妆品等常见家用物品都会释放甲醛。甲醛是一种无色无味的化学物质，当空气中甲醛浓度超过 0.1ppm 时，会对人体健康构成威胁。

为了让室内空气质量监测更加便捷，卡内基梅隆大学的研究人员研发出了一种低成本、长寿命的室内甲醛传感器。这种 MXene 基传感器表面涂有一层独特的聚合物涂层，不仅将其半衰期延长了 200%，还能在性能开始下降时实现再生。

MXene 是一类化合物，凭借其优异的电学性能和多样的表面化学性质，在储能和气体传感领域展现出良好前景。尽管有这些优势，但 MXene 极易氧化，尤其是在暴露于空气和 / 或湿度环境中时，这对 MXene 基空气质量监测仪来说是一个重大挑战。

本周发表在《科学进展》上的一项新研究攻克了这一难题 —— 通过在 MXene 外部包裹一层聚合物涂层。机械工程学教授里贾・贾扬带领的研究团队采用化学气相沉积法（一种电子制造领域的基础材料加工技术），将汽化的前驱体材料泵入装有 MXene 传感器的真空室中。高温气体发生聚合反应，在低温传感器表面形成纳米涂层，其原理类似于炎热天气里冰镇玻璃杯外壁凝结水珠。

没有聚合物涂层时，MXene 传感器的使用寿命仅两个多月；而涂上聚合物涂层后，传感器可运行五个多月。

该研究论文的第一作者、机械工程专业博士生施韦莎・苏尼尔・库马尔在观察期间发现了一个意外现象。

“我们发现，我们的聚合物涂层还能引发一种化学反应，使传感器能够检测到空气中更低浓度的甲醛。由于会形成一种新分子来提高传感器的灵敏度，我们开始思考，当传感器性能开始下降时，促使生成更多此类分子是否有助于传感器再生，” 库马尔解释道。

果不其然，研究团队发现，在传感器使用寿命即将结束时，通过向其引入湿度，传感器可恢复约 90% 的传感能力。

“我们合成的聚合物涂层具有介电性和高绝缘性，能起到有效的结构屏障作用，” 贾扬解释道，“这使得我们的传感器既稳定又可持续。”

土木与环境工程系助理教授杰瑞・王进行的模拟实验进一步证实了该传感器的有效性。通过测试大量不同分子穿过涂层的速度，研究团队确认，聚合物涂层能迅速减缓氧气和水分的渗透。

贾扬相信，这些材料可应用于其他设备，以延长其使用寿命并提升性能。她目前正在研发类似技术，旨在延长电池寿命并提高其安全性。

卡内基梅隆大学大气颗粒物研究中心主任、该论文的合著者阿尔伯特・普雷斯托认为，这项技术能让室内空气质量传感器的用途更加广泛。这种传感器可轻松与手机或智能家居设备连接，他相信，随着技术的不断发展，未来传感器甚至可以涂在墙上或缝在衣服里，实现持续监测。

“室内空气质量往往被忽视，” 他说，“我们生活在一个充斥着塑料制品的世界，这会带来诸多影响。我们希望能让人们更深入地了解室内污染物，以便他们做出明智的决策。只有这样，我们才能改善室内空气质量，消除潜在的健康风险。”

更多信息：施韦莎・库马尔等，《通过引发化学气相沉积（iCVD）进行聚合物封装以提高 Ti3C2Tx MXene 基甲醛传感器的稳定性》，《科学进展》（2025 年）。DOI: 10.1126/sciadv.adu6682。www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu6682

期刊信息：《科学进展》

由卡内基梅隆大学机械工程系提供

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