聚偏二氟乙烯 (PVDF) 已广泛应用于制作柔性压电传感器，这需要极性相 PVDF 的高铁电性。在此，研究人员展示了基于MXene (Ti₃C₂T_x)/PVDF的3D多孔结构的具有高灵敏度和宽传感范围的自供电压电电子皮肤。MXene被用作成核剂以提高PVDF的铁电性能。这是考虑到其2D几何形状和丰富的表面官能团进行的，这些表面官能团促进了MXene的表面官能团和PVDF的CH2基团之间的分子间氢键。此外，多孔结构会增加接触面积和局部应力集中响应施加压力的变化。这进一步增强了压电灵敏度。由于结构变形和局部应力集中，多孔 MXene/PVDF电子皮肤在低 (< 2.5 kPa) 和高 (2.5-100 kPa) 压力范围内的压电灵敏度分别为 11.9 和 1.4 nA kPa^-1。它们分别比平面MXene/PVDF电子皮肤高31倍和3.7倍（< 100 kPa 时为 0.4 nA kPa^-1）。此外，多孔MXene/PVDF电子皮肤具有高达100 kPa的宽传感范围和稳定的传感性能（5000 次重复）。这种压电多孔MXene/PVDF电子皮肤能够监测高频动态信号，例如声波以及低频桡动脉脉冲。特别是，检测滑动摩擦产生的高频振动使我们的传感器阵列能够感知具有不同粗糙度和模量的各种表面纹理，以及浮雕在表面上的文字的空间分布。这证明了其在可穿戴设备、假肢、机器人和医疗保健监测设备中的巨大应用潜力。
 

Figure 1. 多孔MXene/PVDF电子皮肤的示意图。(a)多孔MXene/PVDF电子皮肤的示意图以及MXene和PVDF的分子结构。(b)PVDF和MXene分子间氢键形成的内部结构示意图，显著增强了极性β相的形成。(c)多孔MXene/PVDF压电电子皮肤的输出电流。(d)多孔MXene/PVDF电子皮肤的SEM图。(e)高柔性多孔MXene/PVDF电子皮肤的照片。(f)平面和多孔结构的有限元分析和100 kPa下的应力分布。(g)以恒定速度(0.01 mm/s)压痕载荷高达5N的多孔和平面结构材料的压缩分析。
 
  
Figure2. MXene纳米片和多孔MXene/PVDF电子皮肤的表征。(a)AAO模板上分层的MXene纳米片的SEM图。(b)单层MXene纳米片的AFM分析。(c)分层MXene纳米片的拉曼分析。(d)具有不同MXene浓度的PVDF和MXene/PVDF复合材料的XRD图谱和(e)FTIR分析。(f)10 wt% MXene/PVDF电子皮肤的C 1s区域的XPS谱图。
 
  
Figure 3. 多孔MXene/PVDF电子皮肤的压电传感性能。(a)多孔结构和薄膜结构的10 wt% MXene/PVDF电子皮肤之间的压电传感性能比较。(b)多孔和薄膜结构的MXene/PVDF电子皮肤的压电灵敏度分析。(c)相对于103至109 Ω的外部负载电阻的压电输出性能参数（电压、电流密度和功率密度）。(d)MXene/PVDF电子皮肤在5000次50 kPa加载-卸载循环中的循环稳定性测试。
 
  
Figure 4. 多孔MXene/PVDF电子皮肤在声波和桡动脉脉搏检测中的应用。(a)声波检测示意图。(b)多孔（黑色）和平面（红色）MXene/PVDF电子皮肤的声音检测能力，基于响应应用频率的压电输出。(c)原始声源“压电传感器”（黑色）和多孔MXene/PVDF电子皮肤（红色）的时间相关电压信号（顶部）和相应的STFT分析（底部）。(d)附着在手腕上用于检测桡动脉脉搏的多孔MXene/PVDF电子皮肤的照片。(e)（左）桡动脉脉搏的实时监测和（右）具有三个峰值（P1、P2和P3）的扩展脉搏波。
 
 
Figure 5. 多孔MXene/PVDF电子皮肤在纹理感知中的应用。(a)纹理感知示意图，其中具有PDMS指纹图案（周期线间距=500mm）的多孔MXene/PVDF电子皮肤连接到微型载物台（顶部），指纹图案制作在PDMS上（底部）。(b)当以不同速度（0.5-2.5 mm/s）扫描图案表面时，压电电流随时间的变化。(c)FFT和(d)STFT分析在不同扫描速度下对压电电流信号的响应。(e)用于纹理感知的光滑到粗糙砂纸表面的SEM图（顶部）和在光滑到粗糙表面上扫描的相应STFT分析。(f)使用具有不同模量（Ecoflex、TPU和PVDF）的材料制成的指纹图案和表面纹理的纹理感知的STFT分析。(g)MXene/PVDF电子皮肤阵列（1*8像素）的示意图，PVDF指纹图案附着在微台上以感知单词。(h)压印有“MXene”字样的3D打印表面纹理示意图。在指定的虚线上扫描MXene/PVDF电子皮肤阵列。(i)在“MXene”一词上扫描的每个多孔MXene/PVDF电子皮肤（5-30 Hz）的集成STFT分析。
 
         相关研究成果由韩国蔚山国立科学技术学院Hyunhyub Ko课题组于2021年发表在《Nano Energy》 （https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106409 ）上。原文：MXene-Enhanced β-Phase Crystallization in Ferroelectric Porous Composites for Highly-Sensitive Dynamic Force Sensors。

转自《石墨烯杂志》公众号