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华中科技大学Luying Li课题组和安徽大学Yang Yue 课题组--通过层间氢键作用的高强度MXene纳米片用于自愈性柔性压力传感器
       MXene因其优异的力学性能、金属导电性等物理化学性能而受到广泛关注。然而,其优异的机械性能通常表现在纳米级单层MXene片材中。由于MXene在成型过程中各层之间的范德华相互作用较差,MXene薄膜在宏观尺度上往往表现出较差的力学性能,如脆性,甚至断裂。因此,当具有优异电子性能的MXenes用于器件时,其抵抗外界损伤的能力往往较差,使得器件性能容易退化甚至失效。这里使用一维芳纶纳米纤维通过层间氢键作用构建了具有高机械强度的MXene纳米片。MXene膜片用于自修复柔性压力传感器,具有高灵敏度(208.7 kPa−1)、快速响应时间(10 ms)和恢复时间(33 ms)、优异的循环稳定性(45000次循环)和优异的自修复性能。使用了高强度MXene片材的压力传感器显示出优异的拉伸强度(65.5 MPa)和韧性(210.9 MJ/m3),分别为纯MXene的约712%和约3347%。基于MXene/ANF的压力传感器由于具有自愈性的外壳和坚固的MXene敏感层的共同作用,实现了对复杂外部损伤的良好抵抗,满足了未来智能穿戴电子设备的发展需求。

 
Figure 1. 介绍了高强度MXene膜片的制作工艺及压力传感器的组装。(A)高强度MXene/ANF复合膜的合成(B)MXene片层和插入ANFs的复合结构,以及氢键形成的原子示意图。(C)MXene、MXene/ANF和ANF的傅里叶变换红外光谱(FTIR)。(D)MXene/ANF薄膜的横截面SEM图像。(E)具有自愈性能的高强度柔性压力传感器的装配过程示意图。

 
Figure 2. MAX相、MXene纳米片和MXene/ANF薄膜的形貌、结构及成分表征。(A) MAX 相微团簇的 SEM 图像。 (B) MXene 纳米片的 SEM 图像和相应的片尺寸分布。 (C) MXene 纳米片的 TEM 图像。插图是相应的 SAED 图案。 (D) MXene 纳米片的 AFM 图像。插图轮廓表示 ~1.49 nm 的板材厚度。 (E) MXene/ANF 复合薄膜的横截面 SEM 图像和相应的 C、Ti、O 和 F 元素的 EDS 元素图。 (F) 具有不同质量比的 ANF 的 MXene 薄膜的 XRD 图,以及相应的 MXene 层间距。 (G) ANF 的 TEM 图像。 (H) 静电纺丝制成的 PEI 绝缘层。 (I) MXene 纸基叉指电极 (J) MXene 和 MXene/ANF 薄膜的 XPS 光谱。   

 
Figure 3. 增强的 MXene 片材的机械性能和自愈压力传感器的机制。 (A) 应力-应变、(B) 拉伸强度和 (C) 韧性 (D) 具有不同质量比的 ANF 的 MXene 片材的杨氏模量。 (E) 经过多次折叠处理的纯 MXene 和 MXene/ANF 复合片材的照片,用于比较。 (F) 通过 FIB/SEM 原位观察到的 MXene 片材在压合和释放过程中的层间结构变化。当施加压力时,层间结构收缩,而当压力释放时,层间结构恢复。 (G) 解释压力传感过程机制的等效电路示意图。 (H) PU 的自愈机制,以及显示 PU 自愈过程的照片。

   
Figure 4. 高强度 MXene 传感器的传感性能。 (A) 高精度电信号测试系统示意图。 (B) I - V 传感器的曲线,包括 30% 的 ANF。在不同压力下电压对电流的线性依赖性验证了 MXene 和叉指电极之间的欧姆接触。 (C) 具有 ANF 系列质量比(从 0% 到 50%)的压阻传感器的灵敏度。对应于 30% ANF 的那个在两个压力分布区域内分别表现出 208.7 kPa-1 和 36.6 kPa-1 的超高灵敏度。 (D) 在低于 30 kPa 的连续压力下,具有 30% ANF 的传感器的 I - T 曲线。 (E) 传感器在 12.52 kPa 下的不同速度下表现出优异的传感性能均匀性。 (F) 传感器在 1.81 kPa 下的响应和恢复时间。 (G) I - T 和 P - T 曲线在 10.51 kPa 下的周期性加载和卸载条件下的响应。 (H) 器件在 21.56 kPa 压力下经过 45,000 次压力循环后具有优异的循环稳定性能。右轴表示保留百分比。 (I) 张力测试系统示意图。 (J) 在 10° 到 60° 的连续弯曲角度下,使用 30% ANF 的传感器的 I − T 曲线。 (K) 显示设备自我修复过程的照片。 (L) 设备在 1.84 kPa 下经过多次自愈过程循环后的灵敏度。

  
Figure 5. .高强度MXene压力传感器在实时监测人体活动和检测微小物理信号方面的应用(第一组)。电流变化形式的信号响应来自(A)手指弯曲,(B)手腕弯曲,(C)肘部摆动,(D)膝盖弯曲,(E)脚踝弯曲,(F)手腕脉搏(放大图是脉冲振动波形的放大图),(G)水滴(9.8Pa),(H)气球放气,(I)防水性能。

 
Figure 6. 高强度 MXene 压力传感器的应用(第 II 组)。 (A) 压力信号通过传感器控制 LED 的亮度。 (B) 电路中压力信号的远程监控。 (C) 压力阵列识别。 (D) 检测机器人的运动。 (E) 传感器经过自愈处理后仍然可以控制LED的亮度。
 
       相关研究工作由华中科技大学Luying Li课题组和安徽大学Yang Yue 课题组于2022年联合发表于《Chemical Engineering Journal》期刊上,原文:High-Strength MXene Sheets through Interlayer Hydrogen Bonding for Self-Healing Flexible Pressure Sensor。

转自《石墨烯研究》公众号
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