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華中科大李露穎教授和安徽大學岳陽副教授團隊 CEJ：通過層間氫鍵作用的高強度MXene納米片用于自愈性柔性壓力傳感器
2022-11-14  來源：高分子科技

  近日，華中科技大學李露穎教授及其合作者安徽大學岳陽副教授團隊采用層間氫鍵作用增強二維過渡金屬碳化物（MXenes）片材的機械強度，并應用于高性能自修復柔性壓力傳感器。該高強度的MXene納米片可有效抵抗不良的機械損傷，以及抑制柔性電子器件易于失效的問題。相關(guān)研究成果以High-Strength MXene Sheets through Interlayer Hydrogen Bonding for Self-Healing Flexible Pressure Sensor為題發(fā)表在Chemical Engineering Journal上。


  MXene納米片在納米尺度上具有優(yōu)異的機械性能。然而，宏觀MXene納米片由于層間范德華力弱，以及成型過程中層間和層間孔隙之間的氫鍵作用，其力學性能較差，導致基于MXene的微電子器件易發(fā)生故障。因此，提高MXenes的機械性能是實現(xiàn)MXenes在宏觀和微電子器件中的優(yōu)異金屬導電性和表面性能的必由之路。


  近年來，有關(guān)壓力傳感的研究大多集中在提高傳感器的靈敏度上，而由復雜環(huán)境造成的機械損傷往往被忽視，而這一問題也成為制約柔性壓力傳感器進一步發(fā)展所不可忽視的阻力。


  MXenes因其優(yōu)異的機械性能、金屬導電性等物理化學性質(zhì)而受到廣泛關(guān)注。然而，其優(yōu)異的機械性能通常表現(xiàn)在納米級單層MXene片材中。由于成型過程中MXene片層之間的范德華相互作用較弱，宏觀尺度上的MXene薄膜往往表現(xiàn)出較差的機械性能，出現(xiàn)脆性甚至斷裂等問題。因此，當具有優(yōu)異電學性能的MXenes應用于器件中時，其抵抗外界損傷的能力往往較差，導致器件性能下降甚至失效。他們引入了一維芳綸納米纖維（ANF），通過層間氫鍵作用構(gòu)建了具有高機械強度的MXene片材。將該MXene片材用于自愈柔性壓力傳感器，所制備的器件具有高靈敏度（208.7 kPa-1）、快速響應時間（10 ms）和恢復時間（33 ms）、優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性（45000次循環(huán)）和出色的自愈性能。使用了高強度MXene片材的壓力傳感器顯示出優(yōu)異的拉伸強度（65.5 MPa）和韌性（210.9 MJ/m3）。由于具有自愈性的外殼和堅固的MXene敏感層的綜合作用，基于MXene/ANF的壓力傳感器實現(xiàn)了對復雜外部損壞的有效抵抗，從而滿足了未來智能可穿戴電子設(shè)備的發(fā)展需求。 


圖1.高強度MXene片材的制造工藝和壓力傳感器的組裝示意圖。 


圖2.MAX相、MXene納米片和MXene/ANF薄膜的形貌、結(jié)構(gòu)及成分表征。 


圖3. MXene/ANF薄膜相對于MXene片材的機械性能增強，PU的自愈過程及其機理。 


圖4.高強度MXene傳感器的傳感性能。 


圖5. 高強度MXene傳感器的實際應用（I）。


 圖6. 高強度MXene傳感器的實際應用（II）。


  綜上所述，該工作展示了通過氫鍵構(gòu)建的高強度MXene片材，并將其應用于具有超高機械強度和優(yōu)異傳感性能的自修復柔性壓力傳感器。為了克服二維材料固有的層間結(jié)合不良問題，利用MXene表面豐富的親水端基團及高強度ANF所引入的強氫鍵作用，大大提高了宏觀MXene片材的機械強度。


  該工作得到了國家自然科學基金（51871104、12204010、52272177），中央高；究蒲袠I(yè)務費專項資金（2019kfyRCPY074）等項目資助。感謝王中林教授的支持和幫助！


  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.139823

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