人类依靠离子传输来感知和处理触觉信息。压电传感器可以通过类似的离子迁移直接将机械能转化为电能，在可穿戴传感中展现出应用。然而，受电极材料特性的影响，压电离子传感器的电压输出较低、稳定性差限制了其发展。在这里，我们设计了一种基于 MXene/Ag纳米粒子异质结构电极的压电传感器，具有稳定的高性能电压输出。在离子介导的机电转换过程中，电极中的层状 MXene纳米片为可移动离子提供传输通道。而Ag纳米颗粒的层间插入增加了MXene纳米片之间的层间距，改善了离子存储和传输。在 0.7% 应变的弯曲变形下，传感器输出 11.1 mV 电压。循环变形下电压可保持稳定约13000s。基于良好的机电转换，该传感器可用于监测人体活动。还证明了该传感器指导高质量心肺复苏（CPR）训练的可行性。而且，它可以粘附在手指上，通过手指有节奏地弯曲来产生脉冲或方波电信号，从而基于莫尔斯电码的编码原理来传输信息。这些结果表明自供电压电传感器在医疗康复和人机交互方面的潜力。

 
图1. 压电离子传感器的传感机理及制备方法。(a)基于精确离子传输的人体皮肤感受器触觉感知机制示意图。(b)基于弯曲变形下离子迁移的压电传感器的传感机制。(c) MXene/Ag异质结构电极的制备过程示意图。(d) 基于 MXene/Ag 电极的压电离子传感器的制造过程示意图。

 
图2. 压电离子传感器的形态特征。(a) 基于 MXene/Ag 电极的压电离子传感器的光学图像。(bc) 基于 MXene/Ag 电极的压电离子传感器电极表面的 SEM 图像。(d) MXene/Ag SEM 显微照片的元素映射。(e) 传感器整体结构的截面 SEM 图像。(f) 传感器的 MXene/Ag 电极层的横截面 SEM 图像。(g)分层 MXene/Ag纳米片的TEM图像。插图显示了 HRTEM（高分辨率 TEM）图像。(h) MXene/Ag 和 MXene 的XRD 图案。(i) MXene/Ag 和 MXene 的 BET 测试。

 
图3. 压电传感器的传感性能。(a) 传感器响应所施加的弯曲应变的电位变化。(b) 基于 MXene/Ag 电极和 MXene 电极的压电传感器在相同弯曲应变下的电压响应比较。(c) 循环固定位移下传感器的电压输出。(d) 传感器对弯曲方向变化的电压响应。(e) 传感器在各种弯曲变形下的重复信号变化。(f) 传感器的电压变化作为应变的函数。(g) 阶跃弯曲应变下传感器的电压响应。(h) 传感器在不同弯曲频率下的电压响应。(i) 传感器在 13,000 弯曲秒内的工作稳定性。

 
图4. 压电传感器的人体运动检测。(a) 监测不同方向手腕弯曲的传感器的传感信号。(b)用于检测颈部、(c)肘部和(d)膝盖的运动的传感器的感测信号。

 
图5. 用于心肺复苏训练和信息传输的自供电压电传感器。(a) CPR 标准胸部按压姿势示意图。(b) 不同压缩深度（1 cm、3 cm 和 5 cm）下传感器的电压响应。(c) 标准胸外按压姿势（5 cm）时传感器的输出电压-时间曲线。(d) 电压信号对应于完整的胸部按压操作。（e）随着不同弯曲程度的手指移动以记录摩尔斯电码中的点和划，传感器的电压响应。(f) 演示生成莫尔斯电码“HELLO”。
 
        相关科研成果由合肥工业大学Ying Hu，中山大学第一附属医院Zhihao Liu等人于2024年发表在Chemical Engineering Journal（https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.148988）上。原文：A MXene heterostructure-based piezoionic sensor for wearable sensing applications
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.148988

转自《石墨烯研究》公众号