华中大高义华教授/刘逆霜副教授课题组《Adv. Mater.》：MXene 在压力传感中的作用 - 制备、复合结构设计和机制

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柔性压力传感器是电子皮肤、机器人和健康监测等领域最重要的部件之一。目前，由于压力传感机制本身的特点以及制造工艺的复杂性，导致压力传感器在实际应用中仍面临着较大困难。幸运的是，2D纳米材料MXene的出现，为压力传感带来了全新的突破。Ti₃C₂T_x是压力传感领域研究最多的MXene，具有良好的机械性能、电学性能、优异的亲水性和广泛的可修饰性。它将改善压力传感器的敏感层和电极层的性能，能够进一步将压力传感应用到许多领域。

华中科技大学高义华、刘逆霜课题组在《Advanced Materials》期刊上发表了题为“Roles of MXene in Pressure Sensing: Preparation, Composite Structure Design, and Mechanism”的文章(2110608，DOI: 10.1002/adma.202110608)。MXene (M_n+1X_nT_x，n ≈1-3)是一种新型2D层状过渡金属碳/氮化物。研究人员通过选择性蚀刻前体(M_n+1AX_n，n ≈ 1–3)。其中，M是早期过渡金属，X是碳和/或氮，T_x是表面官能团，例如 -OH、-O、-Cl、-F。虽然MXene的种类很多，但在压力传感领域研究最多的是首次亮相的Ti₃C₂T_x。基于此，该工作主要详细阐述这些通用MXene在压力传感领域的应用。当然，越来越多的研究证明，这种2D层状纳米片，MXene (Ti₃C₂T_x)，是一种非常有前途的压力传感材料。虽然2D材料有很多种，如石墨烯、黑磷、二硫化钼等，但它们在压力传感中的应用非常有限。例如，石墨烯的水溶性较差，不容易与其他材料复合。黑磷的性质不稳定，在空气中容易降解。另外，二硫化钼一般由化学气相沉积方法获得，不利于大批量生产。相比之下，Ti₃C₂T_x表面附着丰富的可调官能团，因此它们具有优异的水分散性和可塑性，能够与其他材料结合，形成多种多功能材料和微结构。重要的是，Ti₃C₂T_x纳米片具有高电子导电性，优异的机械性能和压力可调的层间距。这些特性为压力传感器力传感层的微观结构设计提供了良好的基础。鉴于MXene的优异性能和广泛实用性，研究人员持续致力于研究各种蚀刻方法和其在压力传感中的应用。

图1：MXene 的制备策略。a) MAX 相和相应的 MXene结构^[1]。b) Ti₃AlC₂与氟化氢反应示意图^[2]。c) Ti₃AlC₂与NaOH溶液反应示意图。Ti₃C₂T_x的扫描电子显微镜（SEM）和扫描透射电子显微镜（STEM）图^[3]。d) Ti₃AlC₂和ZnCl₂之间的反应示意图以及Ti₃ZnC₂的高分辨率（HR）-STEM图像和能量色散光谱（EDS）^[4]。

图2：基于 MXene 的结构设计。a) Ti₃C₂T_x/rGO 气凝胶的制备示意图^[5]。b) Ti₃C₂T_x/CNF 泡沫的制备示意图；压缩-恢复循环过程中可恢复变形的 SEM 图像；Ti₃C₂T_x/CNF泡沫在H₂O₂溶液中的降解过程^[6]。c) 用于获得高质量水凝胶的 MXene 示意图^[7]。d) 导电Ti₃C₂T_x示意图/棉织物; 不同放大倍数的原始棉织物和导电Ti₃C₂T_x /棉织物的SEM 图像^[8]。e) SF@ Ti₃C₂T_x生物复合膜示意图；在功能化多糖膜上培养的染色HSAS1人体皮肤纤维细胞和对照组的荧光图像^[9]。f) 柔性电极的制造示意图^[10]。g) PL- Ti₃C₂T_x电极的横截面扫描TEM图像；PL- Ti₃C₂T_x电极的照片；PL- Ti₃C₂T_x示意图；电极由带有 PVPh 聚合物层的Ti₃C₂T_x薄片组成^[11]。

图3：基于 MXene 的压力传感机制。 a) Ti₃C₂T_x /rGO 气凝胶在外部压力下的动态压阻传感机制和内部微观结构示意图^[5]。b）电容式压力传感器的示意图和针织传感器的响应行为^[12]。c) COMSOL 模拟的两个传感器在外部压力下的示意图以及在给定压力下两个传感器的距离和接触面积的变化^[10]。d) 单层Ti₃C₂T_x中压电效应的能带图和单层Ti₃C₂T_x压电设备的操作方案^[13]。e) DSC-TENG接触分离模式传感器的工作机理示意图^[14]。f）机械电位转导机制的示意图^[15]。

图4：MXene 压力传感器与其他设备的集成。a) 全柔性自供电集成系统的制造示意图^[16]。b) Ti₃C₂T_x微型超级电容器和自充电系统的制造示意图^[17]。

该工作指出，柔性MXene压力传感器需要解决的主要问题是：1）MXene的合成通常使用含氟试剂，对人体和环境有严重危害。而且，不同的合成方法会导致MXene纳米片的尺寸和缺陷不同，从而影响其导电性和力灵敏度。因此，迫切需要探索绿色合成方法，还需要能够精确控制MXene的形貌和尺寸的方法。2）MXene的生物适应性和自然降解性有待探索。虽然一些研究已经证明MXene压力传感器可以在H₂O₂溶液中降解，但是该过程仍需要化学试剂。因此，目前对人体生物适应性的研究还不够。3）对MXene最常见的研究是压阻式传感器的力敏层的改性。与其他比较成熟的复合材料相比，MXene的作用还不够好。主要体现在以下几点：1）循环性能不够好。MXene气凝胶或MXene泡沫作为压力传感器的力敏层通常容易被氧化。2）适用场景有限，在高温高湿环境下不能长时间工作。因此，进一步加强MXene的抗氧化性以提高器件的使用寿命迫在眉睫。此外，力敏感层的压力传感性能也可以通过修改MXene本身或附着在骨架结构上的化合物来增强。

而且，目前基于MXene的压力传感研究一般都是基于材料和结构的设计，很少从传感机理来调节压力传感的性能。传感机制是器件发展的核心内容，因此，对传感机制的研究有利于更好地开发压力传感器。除了传统的压阻式、电容式、压电式和摩擦电式压力传感机制外，电位机制的出现也为压力传感器的发展带来了曙光。例如，电位压力传感机理的提出，即电极层和力传感层之间的氧化还原反应形成的电位差，可以通过施加/释放压力来调节。这一设计弥补了自供电压力传感器无法满足稳定电信号输出的问题。另一方面，随着电子皮肤领域的快速发展，小型化自供电设备将是一个广阔的研究趋势。因此，一体化自供电压力传感器的研究需要更加重视。

论文信息

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作者简介

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高义华教授：1998年毕业于中国科学院物理研究所，获博士学位。曾任日本材料科学研究所（NIMS）特别研究员。他和Yoshio Bando 教授发明了碳纳米温度计（Nature 415，599（2002）），并与D. Golberg教授一起获得了第16届Tsukuba奖（2005年）。这项工作被编辑入美国教科书“Introductory Chemistry: A Foundation”。高义华教授于2006年3月起担任华中科技大学教授，并晋升为二级教授（2016年11月）。他发表了183篇同行评审论文。他的研究兴趣包括微观结构，储能器件和基于纳米材料的传感器。刘逆霜副教授：2006年获得武汉大学电子科学与电子学学士学位，2011年获得微电子与固态电子学博士学位。随后，他于2011年加入华中科技大学物理学院担任助理教授，并于2014年成为副教授。近年来，在纳米光电材料与器件方面（主要包括超级电容器、光电及机电传感器），以第一作者或通讯作者身份在Advanced Materials、Nature Communications、ACS Nano、Nano Energy、Small、Applied Physics Letters、Journal of Materials Chemistry A等学术期刊上发表论文四十余篇（他引超4500次），其中一区论文二十余篇，并有七篇论文入选ESI高被引论文，H因子为36。申请并获得授权中国发明专利六项。他的主要研究兴趣包括传感器，储能设备和自供能纳米系统。

原文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202110608

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