食物变质可能导致食源性疾病。微生物的生长会导致食物中的蛋白质降解，释放出恶臭和令人不快的氨（NH₃）。检测到这种排放的NH₃是食品新鲜度的有效指标。除了食物腐败，NH₃还通过各种过程产生，如肥料制造、煤炭和石油燃烧、生物体的代谢活动以及动植物的分解。根据职业安全与健康管理局（OSHA）的标准，职业环境中NH₃的允许暴露限值为百万分之五十（ppm）。因此，迅速检测低浓度NH₃（低于20 ppm）的能力对于确保个人的健康至关重要。能够实时有效检测NH₃的无线气体传感器是各种日常生活和工作场所场景中的宝贵工具，对人类的安全和健康监测做出了重大贡献。 传感装置的性能与所用气体传感材料的特性有着内在的联系。在室温气体传感器中使用的各种材料中，值得注意的材料包括石墨烯、过渡金属二硫化物（TMD）、碳纳米管（CNT）、聚苯胺（PANi）、聚吡咯（PPy）和MXenes。MXenes尤其因其优异的导电性和存在许多可以与目标气体分子相互作用的末端（如-OH、-F和-O）而受到广泛关注。Ti₃C₂T_x以其卓越的机械和热力学性能脱颖而出，成为使用最广泛的MXene，并在气体传感器领域得到了广泛的应用。然而，基于Ti₃C₂T_x的气体传感器仍然面临挑战，例如响应和恢复时间慢、灵敏度低和稳定性不足。 已经实施了各种策略来解决这些问题，包括异质结构的构建、元素掺杂和表面改性技术等。其中，元素掺杂改性提供了一种直接的方法，可以有效地改变材料的电子能带结构。特别是氮掺杂，已被确定为一种有前景的方法，不仅可以促进气体传感器的室温操作，还可以提高其传感性能。此外，据报道，氮掺杂可以解决气体传感器恢复速度慢和基线偏移等关键问题。因此，掺氮Ti₃C₂T_x气体传感器的开发有望与检测设备无缝集成，实现低功耗和出色的气体传感能力的结合。

本文亮点

1. 本工作报告了一种配备氮掺杂Ti₃C₂T_x气体传感器的集成设备，该设备在检测食品变质和NH₃泄漏方面显示出巨大的潜力。 2. 氮掺杂导致Ti₃C₂T_x的晶格错位，从而实现了有效的势垒高度调制和氮掺杂Ti₃C₂T_x的电荷转移效率的提高。 3. 密度泛函理论计算证实了氮掺杂Ti₃C₂T_x对NH₃的吸附大大增强。

图文解析

图1. （a） N-Ti₃C₂T_x纳米片的合成工艺。（b，c）N-Ti₃C₂T_x纳米片的TEM和HRTEM图像。（d） Ti₃C₂T_x和N-Ti₃C₂T_x纳米片样品的XRD图谱。（e） N-Ti₃C₂T_x纳米片的STEM图像。N-Ti₃C₂T_x纳米片中元素（f）Ti、（g）C、（h）N和（i）O的EDS图。

图2. （a） Ti₃C₂T_x和N掺杂Ti₃C₂T_x纳米片的全XPS测量光谱。N掺杂Ti₃C₂T_x纳米片的（b）Ti 2p、（c）N 1s、（d）O 1s、（e）C 1s和（f）F 1s的高分辨率XPS光谱。

图3. （a） N-Ti₃C₂T_x-10传感器对0.1-100 ppm NH₃的动态响应和恢复曲线。（b） N-Ti₃C₂T_x-10传感器对50 ppm NH₃的五个循环测试。（c） N-Ti₃C₂T_x-10对不同气体的选择性测试结果。（d，e）N-Ti₃C₂T_x-10传感器在不同相对湿度条件下对50 ppm NH₃的响应/恢复曲线和相应的响应值。（f） N-Ti₃C₂T_x-10传感器在4%相对湿度下对50 ppm NH₃的长期稳定性测试。

图4. （a） N-Ti₃C₂T_x吸附NH₃分子的气敏机理示意图。（b） Ti₃C₂T_x、N-Ti₃C₂T_x-1、N-Ti₃C₂T_x-2和N-Ti₃C₂T_x-3对NH₃气体的吸附能。（c–f）分别吸附在Ti₃C₂T_x、N-Ti₃C₂T_x-1和N-Ti₃C₂T_x-3上的NH₃分子的吸附构型的侧视图和俯视图。

图5. （a） 可穿戴探测器中组件成分的光学图像。（b） NH₃泄漏情况下的检测探测器示意图。（c–e）可穿戴探测器中的电路模块、操作过程和功能示意图。（f，g）NH₃检测前后可穿戴探测器的光学照片。（h） 柔性检测器对5 ppm NH₃的响应和恢复曲线显示在智能手机的软件上。