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Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 3114 (2023) Citare questo articolo
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Nuovi materiali di rilevamento ad alte prestazioni basati sulla temperatura ambiente sono uno degli argomenti di ricerca di frontiera nel campo del rilevamento dei gas e MXenes, una famiglia di materiali emergenti a strati 2D, ha guadagnato un'attenzione diffusa grazie alle loro proprietà distintive. In questo lavoro, proponiamo un sensore di gas chemiresistivo realizzato con materiali ibridi V2O5 simili a ricci, derivati da V2CTx MXene (V2C/V2O5 MXene) per applicazioni di rilevamento di gas a temperatura ambiente. Il sensore così preparato ha mostrato prestazioni elevate se utilizzato come materiale di rilevamento per il rilevamento dell'acetone a temperatura ambiente. Inoltre, il sensore basato su V2C/V2O5 MXene ha mostrato una risposta più elevata (S% = 11,9%) verso 15 ppm di acetone rispetto ai V2CTx MXeni multistrato originali (S% = 4,6%). Inoltre, il sensore composito ha dimostrato un basso livello di rilevamento a livelli ppb (250 ppb) a temperatura ambiente, nonché un'elevata selettività tra diversi gas interferenti, tempi di risposta-recupero rapidi, buona ripetibilità con fluttuazioni di ampiezza minime ed eccellente stabilità a lungo termine . Queste proprietà di rilevamento migliorate possono essere attribuite alla possibile formazione di legami H negli MXene V2C multistrato, all'effetto sinergico del composito appena formato del sensore MXene V2C/V2O5 simile a un riccio e all'elevato trasporto di portatori di carica all'interfaccia di V2O5 e V2C MXene.
Con la crescente consapevolezza del rapido inquinamento ambientale e dell’importanza delle diagnosi sanitarie, la progettazione di sensori intelligenti e sensibili è diventata un argomento di ricerca di frontiera nel campo del rilevamento dei gas1. Lo sviluppo dell’Internet delle cose (IoT) ha consentito l’integrazione di diversi tipi di sensori attivi in un’unica rete, consentendo agli utenti di essere avvisati del rischio imminente attraverso tecnologie intelligenti2. Una categoria di sensori, i sensori di gas (una sottoclasse di sensori chimici), ha svolto un ruolo fondamentale nel monitoraggio dei gas pericolosi e dei composti organici volatili (COV) nelle industrie, nelle aree interne e negli ambienti medici per migliorare la sicurezza e l'incolumità degli esseri umani3 ,4,5. Un’altra categoria, i dispositivi di rilevamento intelligente presso i punti di cura, ha attirato l’attenzione per la possibilità di ottenere diagnosi di malattie in tempo reale6. Ad esempio, il respiro umano è una miscela di vari gas, come N2, O2, CO2, vapore acqueo, tracce di COV (acetone, ammoniaca, isoprene, ecc.) e gas inorganici (H2S, CO, NO, ecc. ). Questi gas sono generati in modo endogeno (nel corpo) o esogeno (da contaminanti ambientali)7,8. In particolare, l’acetone è un biomarcatore utile per la diagnosi del diabete; è un sottoprodotto del processo metabolico della chetosi e viene espulso dal corpo attraverso i rifiuti o il respiro9. Le concentrazioni di acetone variano da 0,2 a 0,9 parti per milione (ppm) negli individui sani e da 0,9 a 1,8 ppm nei pazienti diabetici10. Le statistiche locali hanno indicato che quasi il 17,3% della popolazione degli Emirati Arabi Uniti (EAU) di età compresa tra 20 e 80 anni aveva il diabete di tipo 2 nel 2017, mentre quasi 1 milione di persone aveva il diabete di tipo 1, classificando il paese al quindicesimo posto a livello mondiale11. Rispetto a un test convenzionale della glicemia, che può essere doloroso, l'analisi dell'espirazione rappresenta un approccio promettente, non invasivo, non pericoloso ed economico per rilevare l'acetone12,13. Pertanto, sono necessari materiali di rilevamento nuovi e ad alte prestazioni per progettare dispositivi sensori di gas sensibili per rilevare l'acetone nel respiro. Sono stati impiegati nuovi materiali per rilevare COV e gas tossici, tra cui chemiresistori basati su semiconduttori di ossido di metallo (MOXS)14, nanotubi di carbonio (CNT)10 e materiali bidimensionali (2D) a base di grafene15. Tuttavia, sebbene i sensori di gas MOXS siano spesso utilizzati come efficaci sensori di gas trasduttori, la loro elevata temperatura di esercizio rappresenta un ostacolo pratico significativo3. Il rilevamento del gas a temperatura ambiente (RT) è stato individuato come soluzione a questa sfida. Sebbene i CNT e i materiali 2D a base di grafene possano funzionare a temperatura ambiente, la loro reazione lenta e i comportamenti a bassa risposta impediscono le applicazioni pratiche16,17. Pertanto, sono necessari materiali di rilevamento alternativi che possano funzionare a temperatura ambiente e mostrare proprietà di rilevamento migliorate.