Selective Detection of NH3 Gas by Ti3C2Tx Sensors with the PVDF-ZIF-67 Overlayer at Room Temperature

选择性 材料科学 化学工程 金属有机骨架 气体分离 沸石咪唑盐骨架 咪唑酯 吸附 纳米技术 化学 有机化学 生物化学 工程类 催化作用
作者
Naveen Kumar Arkoti,Kaushik Pal
出处
期刊:ACS Sensors [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acssensors.3c02551
摘要

In the realm of NH3 gas-sensing applications, the electrically conductive nature of Ti3C2Tx MXene, adorned with surface terminations such as −O and −OH groups, renders it a compelling material. However, the inherent challenges of atmospheric instability and selectivity in the presence of gas mixtures have prompted the exploration of innovative solutions. This work introduces a strategic solution through the deposition of a mixed-matrix membrane (MMM) composed of poly(vinylidene fluoride) (PVDF) as the matrix and zeolitic imidazolate framework-67 (ZIF-67) as the filler. This composite membrane acts as a selective filter, permitting the passage of a specific gas, namely NH3. Leveraging the hydrophobic and chemically inert nature of PVDF, the MMM enhances the atmospheric stability of Ti3C2Tx by impeding water molecules from interacting with the MXene. Furthermore, ZIF-67 is selective to NH3 gas via acid–base interactions within the zeolite group and selective pore size. The Ti3C2Tx sensor embedded in the MMM filter exhibits a modest 1.3% change in the sensing response to 25 ppm of NH3 gas compared to the response without the filter. This result underscores the filter’s effectiveness in conferring selectivity and diffusivity, particularly at 35% relative humidity (RH) and 25 °C. Crucially, the hydrophobic attributes of PVDF impart heightened stability to the Ti3C2Tx sensor even amidst varying RH conditions. These results not only demonstrate effective NH3 detection but also highlight the sensor’s adaptability to diverse environmental conditions, offering promising prospects for practical applications.
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