（通讯员 陈涛）近日，新葡京网址
先进材料与纳米技术学院Ajit Khosla教授团队在传感领域著名权威期刊Sensors and Actuators: B. Chemical（影响因子为7.7）发表了题为 “Interface engineering of MXene using ZSM-5 molecular sieve: Atomic-level charge transfer pathways for ultra-sensitive NO2 detection”的研究成果。
随着工业活动的加速，大气中氮氧化物，尤其是二氧化氮（NO2）的排放急剧增加，对环境和公众健康构成了威胁。开发在室温下运行、具备高灵敏度、高选择性和优异稳定性的NO2气体传感器，已成为环境监测和公共安全领域的迫切需求。Ajit Khosla教授团队通过巧妙的界面工程设计，成功将ZSM-5分子筛与MXene复合，研制出了一种用于室温下超灵敏、可高选择性检测NO2气体的MXene/ZSM-5纳米复合材料。
研究团队通过简易的合成路线，构建了这种独特的无机异质界面结构。该结构协同利用了ZSM-5的双交叉通道框架和MXene的高导电性及丰富的表面官能团（图1）。优化后的MXene/ZSM-5纳米复合材料实现了1 ppm的超低NO2检测极限，其对NO2的响应值比原始MXene提高了约79.78%。ZSM-5的引入有效减缓了MXene的氧化，使复合材料在长期稳定性上远超纯MXene。经过30天的长期测试，传感器响应值衰减幅度仅为初始值的25%并逐渐稳定，展现了出色的使用寿命。
图1. (a) MXene/ZSM-5与纯MXene对1000 ppm NO2的响应对比；(b) 对1 ppm NO2的响应对比；(c) 对50 ppm NO2的实时响应-恢复曲线；(d) 不同浓度NO2下的响应值及拟合曲线。
在实际应用中，湿度和复杂气体背景是传感器面临的主要挑战。本研究采用相关性分析来评估传感器在复杂环境下的性能一致性。结果表明（图2），MXene/ZSM-5传感器在0%至90%的相对湿度范围内，对NO2的响应保持了高度一致性。同时，传感器对乙醇、丙酮、氨气、甲苯等9种常见干扰气体的响应远低于对NO2的响应，并在多组分混合气体测试中保持了其对NO2响应的特异性，证明了其强大的抗干扰能力。
图2. (a) 传感器在不同湿度下对500 ppm NO2响应的相关性分析；(b) 对1000 ppm不同气体与纯MXene对1000 ppm NO2响应的相关性分析。
研究团队通过密度泛函理论计算理解性能提升的内在机制。结果表明（图3），MXene（4.589 eV）和ZSM-5（4.369 eV）之间的功函数差异形成了0.22 eV的势垒，驱动了异质结界面的电荷重新分布。差分电荷密度图显示，电子从MXene界面耗尽并积累在NO2和ZSM-5一侧，明确MXene作为多电子给体，通过其表面官能团和Ti3C2基质向二者转移电子。这种协同电荷耗尽机制显著增强载流子调控动力学，最终使复合材料传感性能优于原始纯MXene。
图3. (a-b) MXene和ZSM-5的表面平均静电势与功函数；(c-d) MXene/ZSM-5-NO2吸附模型的差分电荷密度图；(e) 吸附NO2前后体系的总态密度（TDOS）曲线；(f) 吸附模型的投影态密度（PDOS）曲线。
该研究创新设计 MXene/ZSM-5 异质界面，通过 ZSM-5 的分子筛结构稳定性与 MXene 的优异电荷传输、表面反应活性协同耦合，制备出高 NO2检测性能的纳米复合材料；其在室温下检测限达 1 ppm，灵敏度较原始 MXene 提升 79.78%，且无需外部加热或光照即可工作。为节能传感的 MXene-分子筛电荷转移动力学设计提供基础见解，还为环境监测与健康安全提供解决方案，推动低功耗、可持续气体传感器发展。
《Sensors and Actuators: B. Chemical》是一本跨学科期刊，致力于发表化学传感器和生物传感器、化学致动器和分析微系统领域的最新权威研究和发展。该杂志旨在推广在这些领域中表现出超越当前最新状态且具有重大进步的原创作品。此工作是在新葡京网址
与美国University at Buffalo的合作下完成的，新葡京网址
为论文第一和通讯单位。新葡京官网-新葡京网址
Ajit Khosla教授、张辉准聘副教授和美国布法罗大学Thomas Thundat教授为论文共同通讯作者。
这项工作主要得到了陕西省高端外国专家项目、西安电子科技大学科研启动基金项目的支持。
Khosla教授简介：
Ajit Khosla 是新葡京官网-新葡京网址
的特聘教授。同时，Khosla 教授也是英国皇家化学学会（RSC）、英国物理学会（FInstP）、英国皇家公共卫生学会（RSPH）、英国皇家统计学会（RSS）、英国皇家艺术学会以及美国电化学学会（ECS）的会士。他在学术领域成果丰硕，已发表论文200余篇，出版书籍7部，持有5项美国专利，H指数为55，总引用次数达11950次。他曾担任电化学学会首本金色开放获取期刊《ECS Sensors Plus》的创刊主编，也是IOP《Nanotechnology》和Wiley-IET《Nanobiotechnology》期刊的编委。他还与IEEE、ECS、ACS和IOP等学术机构合作，共同组织了50多场国际会议。Khosla 教授是电气与电子工程师协会（IEEE）的资深会员，并担任《IEEE Access》副主编。此外，他曾连续入选斯坦福大学与爱思唯尔联合发布的2021至2024年度“全球前2%高被引学者”榜单。他的研究具有显著的跨学科特色，聚焦于材料开发、界面工程、微纳制造技术及其在化学与生物传感器集成系统中的应用，涵盖医疗健康、环境监测与修复、增材制造、可持续设计以及清洁水资源等多个领域，致力于通过前沿科技解决现实问题，提升人类生活质量。
