广西大学邓承浩课题组《ACS AMI》:用于超柔韧压力传感器的多层MXene/芳纶复合膜

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可穿戴柔性压力传感器是当前柔性电子技术的重要部分，实现薄而柔韧的压力传感器，同时保持高灵敏度和宽探测范围，是实现其可穿戴电子应用的关键目标之一。

广西大学物理学院青年教师邓承浩课题组在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上发表了题为“Layered MXene/Aramid Composite Film for a Soft and Sensitive Pressure Sensor”的文章(DOI: 10.1021/acsami.2c01914)。广西大学物理学院硕士研究生苏二明为论文第一作者。该研究得到国家自然科学基金等资助支持。该文章提出了一种优化的温和的LiF/HCl刻蚀方案，并成功地制备了高浓度(>25 mg/mL)的少层Ti₃C₂T_x MXene。作者将制备的MXene与绝缘芳纶纳米纤维(ANF)相结合，设计了一种基于MXene/ANF复合材料的超薄层状压力传感器。纯MXene膜很脆弱，但与ANF复合后，膜的机械强度大大提高。该传感器的灵敏度高达16.7 kPa⁻¹，检测范围宽(>100 kPa)，厚度仅为10 μm，柔韧性强，可伸缩性高达10%，这对实用性传感器是非常有益的。该传感器在人体运动监测和从低压(人体脉搏)到高压(俯卧撑)的人机交互中有着广泛的应用前景。

示意图1 MXene纳米片与芳纶纤维复合示意图。

图1 (a)MXene制备示意图; (b)少层MXene纳米片的扫描电子显微镜图像; (c)少层MXene纳米片的原子力显微镜表征,其中插图显示了纳米薄片的厚度。

图2 (a) MXene/ANF复合传感器的结构表示; (b) MXene及MXene/ANF复合膜的XRD表征; (c) MXene分散体、MXene自支撑膜(膜1和膜2)、MXene/ANF复合膜的拉曼表征; 在相同条件下制备薄膜1和薄膜2，以评估实验误差; (d)采用分层抽滤的多层MXene/ANF复合传感器的制备过程,其中插图是一张制备好的传感器的照片。

图3 (a)ANF及其分子结构示意图; (b)MXene/ANF复合薄膜的照片; (c，d)三层MXene/ANF复合膜横截面的扫描电子显微镜图像和(e)三层复合膜在压力下的扫描电子显微镜图像; (f)MXene/ANF复合材料的结构示意图和(g)它们之间的相互作用; 单层MXene/ANF复合膜的(h)表面和(i)截面的扫描电子显微镜图像; (j)单根ANF和(k)多根ANF的扫描电子显微镜图像。

图4 (a)传感器在不同压力下的I-V特性曲线; (b)传感器的相对电流随压力的变化; (c)传感器在不同压力下的结构变化示意图。

图5 具有中间层的传感器在不同压力下的电流变化：(a)当MXene与ANFS的质量比控制为1：1时，不同浓度的MXene分散体；(b)当MXene分散体的浓度控制为5 mg/mL时，MXene与ANFS的不同质量比; (c)电流对20、50、80和100 kpa的循环压力的响应和(d)部分放大的视图; (e)传感器的瞬时电流响应; (f)传感器在5000次加载和卸载循环下的耐久性。

图6 分层压阻传感器在实时检测(a)弯曲手指关节、(b)弯曲手腕、(c)加载和卸载质量为1g的垫圈、(d)脚踏板、(e)手腕脉搏跳动、(f)拇指在移动电话屏幕上滑动和(g)俯卧撑中的应用。

原文链接

https://doi.org/10.1021/acsami.2c01914

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