厦门柔性电子研究院
福建省协同创新院柔性电子产业技术分院
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AM最新MXenes综述：MXenes在压力感应中的作用：制备、复合结构设计和机制

研究背景

柔性压力传感器是电子皮肤、机器人和健康监测领域中最重要的部件之一。然而，由于传感性能有限和复杂的制造工艺，压力传感器在实践中的应用仍然是困难和昂贵的。虽然有许多种二维材料，如石墨烯、黑磷和二硫化钼，但它们在压力传感方面的应用非常有限。例如，石墨烯的水溶性太差，不容易与其他材料复合。黑磷的特性是不稳定的，在空气中容易降解。特别是，二硫化钼通常是通过化学气相沉积法制备的，这对于大规模生产不是很方便。相比之下，Ti3C2Tx表面附着了丰富的可调节官能团，因此具有优良的水分散性和可塑性，可以与其他材料结合形成各种多功能材料和微结构。重要的是，Ti3C2Tx纳米片具有较高的电子传导性、优良的机械性能和压力可调的层间距。这些特性为压力传感器的力感应层的微结构设计提供了良好的基础。它的出现，为压力传感带来了全新的突破。Ti3C2Tx是压力传感领域研究得最多的MXene，它显示出良好的机械、电气性能，出色的亲水性和广泛的可修改性。它将改善压力传感器的敏感层和电极层的性能，并进一步将压力传感灵活地应用于电子皮肤等诸多领域。


 

研究成果

华中科技大学高义华教授等人对MXene的制备技术、抗氧化方法和性能进行了总结。主要介绍了基于MXene的微结构的设计，包括水凝胶、气凝胶、泡沫、织物、复合纳米纤维。进一步探讨了MXene压力传感器的机理，包括压阻式、电容式、压电式、摩擦静电式和电位式传导机制。此外，还回顾了多种器件的集成。最后，展望了由MXene智能材料改进的压力传感器在未来电子皮肤和物联网中的机会和挑战。相关报道以“Roles of MXenes in Pressure Sensing: Preparation, Composite Structure Design and Mechanism”为题发表在Advanced Materials期刊上。

 

图文导读

 

 

Figure 1. Preparation strategies of MXenes.

 

 

Figure 2. Structural design based on MXenes.

 

 

Figure 3. Pressure sensing mechanism based on MXenes.

 

 

Figure 4. Integration of MXenes pressure sensors with other equipment.

 

总结展望

近年来，对MXene的制备进行了广泛的研究，这使得MXene的获得变得简单而高效。高导电性、优异的亲水性、丰富的可调节表面官能团和可调节的层间距等特点进一步促进了MXenes在压力传感方面的发展。此外，力敏层包括基于MXen的气凝胶、水凝胶和泡沫具有高度有序的多孔微结构，这有利于提高压力响应范围和灵敏度。基于MXen的纤维复合材料和织物具有有效的表面微结构，这可以改善力敏层和电极层之间的接触，然后改善压力传感器的响应速度和灵敏度。有趣的是，MXenes 由于其高导电性和良好的机械性能而被广泛地选择为柔性电极。因此，基于MXenes的压力传感器将在人工智能、电子皮肤、医疗健康等领域显示出巨大的发展前景。现在，柔性MXene压力传感器需要解决的主要问题有以下几点。1. MXene的合成通常使用含氟试剂，这对人体和环境有严重危害。此外，不同的合成方法会导致MXene纳米片的大小和缺陷不同，这将影响其导电性和力的敏感性。因此，探索绿色合成方法迫在眉睫，同时也需要能够准确控制MXene的形态和尺寸的方法。2. 需要探索MXene的生物适应性和自然降解问题。尽管一些研究已经证明MXene压力传感器可以在H2O2溶液中降解，但这个过程需要危险的试剂。对人体的生物适应性的研究还不够充分。3. 对MXene最常见的研究是对压阻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，不可能在高温高湿的环境下长期工作。迫切需要进一步加强MXene的抗氧化性，提高器件的使用寿命。力敏层的压力感应性能还可以通过MXene本身或附着在骨架结构上的化合物的改性来提高。此外，目前基于MXenes的压力传感的研究一般都是 基于材料和结构的设计，很少从传感机理入手来调节压力传感的性能。器件的响应机制是器件发展的核心内容，取决于器件的整体结构设计。因此，为了更好地发展压力传感器，对传感机理的研究是必不可少的。除了传统的压阻式、电容式、压电式、摩擦静电式等压力传感机制外，电位机制的出现也给压力传感器的发展带来了曙光。例如，电位机理的提出，即由电极层和力感应层之间的氧化还原反应形成的电位差，可以随着压力的施加/释放而被调制。这一建议弥补了 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，小型化的自供电设备将是一个广泛的研究趋势。因此，一体式或集成式自供电压力传感器的研究需要得到更多的关注，特别是在微型传感器的趋势下，一体式压力传感器的设计和研究。

 

文献链接

Roles of MXenes in Pressure Sensing: Preparation, Composite Structure Design and Mechanism,

https://doi.org/10.1002/adma.202110608