化學與材料科學 - 廣西大學鄧承浩課題組《ACS AMI》:用於超柔韌壓力傳感器的多層MXene/芳綸複合膜－鑽石舞台

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可穿戴柔性壓力傳感器是當前柔性電子技術的重要部分，實現薄而柔韌的壓力傳感器，同時保持高靈敏度和寬探測範圍，是實現其可穿戴電子應用的關鍵目標之一。

廣西大學物理學院青年教師鄧承浩課題組在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上發表了題為「Layered MXene/Aramid Composite Film for a Soft and Sensitive Pressure Sensor」的文章(DOI: 10.1021/acsami.2c01914)。廣西大學物理學院碩士研究生蘇二明為論文第一作者。該研究得到國家自然科學基金等資助支持。該文章提出了一種優化的溫和的LiF/HCl刻蝕方案，並成功地製備了高濃度(>25 mg/mL)的少層Ti3C2TxMXene。作者將製備的MXene與絕緣芳綸納米纖維(ANF)相結合，設計了一種基於MXene/ANF複合材料的超薄層狀壓力傳感器。純MXene膜很脆弱，但與ANF複合後，膜的機械強度大大提高。該傳感器的靈敏度高達16.7 kPa−1，檢測範圍寬(>100 kPa)，厚度僅為10 μm，柔韌性強，可伸縮性高達10%，這對實用性傳感器是非常有益的。該傳感器在人體運動監測和從低壓(人體脈搏)到高壓(俯臥撐)的人機交互中有着廣泛的應用前景。

示意圖1MXene納米片與芳綸纖維複合示意圖。

圖1(a)MXene製備示意圖;(b)少層MXene納米片的掃描電子顯微鏡圖像;(c)少層MXene納米片的原子力顯微鏡表徵,其中插圖顯示了納米薄片的厚度。

圖2(a) MXene/ANF複合傳感器的結構表示;(b) MXene及MXene/ANF複合膜的XRD表徵;(c) MXene分散體、MXene自支撐膜(膜1和膜2)、MXene/ANF複合膜的拉曼表徵;在相同條件下製備薄膜1和薄膜2，以評估實驗誤差;(d)採用分層抽濾的多層MXene/ANF複合傳感器的製備過程,其中插圖是一張製備好的傳感器的照片。

圖3(a)ANF及其分子結構示意圖;(b)MXene/ANF複合薄膜的照片;(c，d)三層MXene/ANF複合膜橫截面的掃描電子顯微鏡圖像和(e)三層複合膜在壓力下的掃描電子顯微鏡圖像;(f)MXene/ANF複合材料的結構示意圖和(g)它們之間的相互作用;單層MXene/ANF複合膜的(h)表面和(i)截面的掃描電子顯微鏡圖像;(j)單根ANF和(k)多根ANF的掃描電子顯微鏡圖像。

圖4(a)傳感器在不同壓力下的I-V特性曲線;(b)傳感器的相對電流隨壓力的變化;(c)傳感器在不同壓力下的結構變化示意圖。

圖5具有中間層的傳感器在不同壓力下的電流變化：(a)當MXene與ANFS的質量比控制為1：1時，不同濃度的MXene分散體；(b)當MXene分散體的濃度控制為5 mg/mL時，MXene與ANFS的不同質量比;(c)電流對20、50、80和100 kpa的循環壓力的響應和(d)部分放大的視圖;(e)傳感器的瞬時電流響應;(f)傳感器在5000次加載和卸載循環下的耐久性。