Page 83 - 《精细化工》2022年第10期

第 10 期 金 旭，等: MXene 在火灾预警传感器中的应用研究进展 ·2017·

产生大量的热量和烟雾，这是造成人员伤亡的主要 以及优异的机械性能，在传感器 [15] 、光电催化 [16] 、能
原因。受困人员暴露在 CO 质量浓度高于 11700 mg/m 3 量转换与存储 [17] 等方面有很大的应用潜能。目前，
[1]
或O 2 体积分数低于6%的环境中几分钟便可能死亡 。 已经证实 MXene 纳米片能够抑制聚苯乙烯、热塑性
目前，常用火灾预警器主要包括温度、烟雾及红外 聚氨酯、聚醋酸乙烯酯等多种聚合物基材的热量传
[2]
传感器 。主流的商业火灾预警系统主要是基于传 递、烟气和 CO 的释放 [9,18] 。并且，MXene 材料具
感器检测火灾现场温度、湿度、光照强度和物体燃 有较高的导电率和超大的比表面积，以及优良的温
烧后的烟气数据变化，从而对现场进行监控。但由 度和气体敏感性，可以由此设计出多种温敏型及气
于火灾传感器往往与建筑材料分离、距离起火点有 敏型 MXene 基火灾预警传感器 [19-21] ，在火灾预警系
[3]
一定距离，导致火灾警报器响应时间往往大于100 s ， 统领域有广泛的应用前景。本文综述并讨论近年来
无法为及时扑救和人员疏散提供最佳时间，造成了 基于 MXene 构建的温敏型和气敏型传感器以及其
极大的经济损失和不必要的人员伤亡。 火灾预警作用机制（图 1），并对其在现实生活中的
鉴于上述问题，火灾预警系统必须缩短预警时 广泛应用和未来发展趋势进行了分析。
间，同时需要具备超高的检测灵敏度，以求实现超
早期火灾探测预警。近年来，人工智能、传感器和
物联网等高科技领域的快速发展吸引了人们对智能
材料研究的关注，为开发新型、超灵敏的火灾预警
传感器提供了新思路。通过引入特殊的功能分子或
基团，材料可以智能地响应外界刺激，如应力、湿
度、温度、光强和 pH 等。将智能材料引入传统材
料领域，赋予材料各种智能传感功能，使其主动对
温度、烟气等火灾参量进行精准监测，这大大提高
了建筑物的安全性，对保障人们的生命和财产安全

具有重要的研究意义。
图 1 MXene 火灾预警器分类
相较于普通的零维、一维纳米材料，二维纳米 Fig. 1 Mxene fire alarm classification
材料作为火灾预警传感材料具有显著的优越性，引
起了众多研究者的关注。现有的二维火灾预警传感 1 MXene 温敏型火灾传感器
材料中，石墨烯基材料因其热敏性及优异的气体吸
附能力成为主流 [4-5] 。然而，应用石墨烯提高聚合物 1.1 预警机制
[6]
复合材料的火安全性并不适合所有场合 。例如， 为了提高预警信号的实时性，最近研究人员提
石墨烯具有高导电率，与需要低导电率的电子封装 出了电阻式温度传感器。当发生火灾时，电绝缘传
[7]
材料是矛盾的 。此外，石墨烯的主要作用是基于 感器会受热转变为导电状态（图 2），从而激活与传
[8]
其片层结构抑制热解产物的传递 ，但不能有效地 感器相连的预警器 [22] 。例如，CHEN 等 [23] 设计了一
[9]
催化 CO 转化成 CO 2 。除石墨烯外，其他二维材料 种包含氧化石墨烯（GO）纸和植酸（PA）的火灾传
也具有优异的气体吸附能力和温敏、气敏响应性， 感器，该传感器显示出快速的火灾预警响应（~0.5 s），
因此，越来越多的研究人员开始将注意力转移到其 并可在燃烧过程中提供持续的预警信号（~283.0 s）。
他能综合提升火灾预警传感性能的二维纳米材料， 然而，大多数已报道的温敏型传感器只能在暴露于
如六方氮化硼（h-BN）、二硫化钼（MoS 2 ）、金属有 明火或相对较高的温度（~150 ℃）下才会工作 [24] ，
机框架材料（MOFs）、碳氮化物（CN）、过渡金属 在预燃阶段无法及时发出警报，这是十分致命的。
碳/氮化物（MXene）和黑色磷（BP）等 [10] 。 此外，火灾预警系统中的绝缘层在燃烧过程中会被
其中，MXene 是近年来兴起的一种类石墨烯的 烧穿，释放更多焦耳热，可能引发短路和严重电气
二维层状材料 [11] 。它是在 2011 年由 Drexel 大学的 火灾事故。
研究者们首次发现的，自此在功能材料领域引起了 MXene 具有高电导率和优良的导热性，所以其
广泛的关注 [12-13] 。 MXene 材料的化 学通式为 在温度传感器领域具有巨大的潜力 [15] 。利用 MXene
M n+1X nT x （n=1，2 或 3），其中 M 代表过渡金属元素， 的导电性和导热性，将其与一些温敏材料相结合，
X 代表碳、氮或者碳氮，T x 代表表面端基（—O、 可以得到灵敏度更高的温度传感器。WEI 等 [25] 将
—OH、—Cl 或—F 等） [14] 。由于 MXene 具有特殊 MXene 纳米片引入单宁酸修饰的纤维素纳米纤维/
的化学结构、独特的电子性质、丰富的表面官能团 聚丙烯酰胺凝胶网络中制备复合水凝胶，将其用作