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華中科大李露穎教授和安徽大學(xué)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(xué)李露穎教授及其合作者安徽大學(xué)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(yīng)用于高性能自修復(fù)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(xué)性能較差,導(dǎo)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(dǎo)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(fù)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(dǎo)電性等物理化學(xué)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(dāng)具有優(yōu)異電學(xué)性能的MXenes應(yīng)用于器件中時,其抵抗外界損傷的能力往往較差,導(dǎo)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(yīng)時間(10 ms)和恢復(fù)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(fù)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。 


1.高強度MXene片材的制造工藝和壓力傳感器的組裝示意圖。 


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


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


4.高強度MXene傳感器的傳感性能。 


5. 高強度MXene傳感器的實際應(yīng)用(I)。


 6. 高強度MXene傳感器的實際應(yīng)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(yīng)用于具有超高機械強度和優(yōu)異傳感性能的自修復(fù)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(xué)基金(51871104、12204010、52272177),中央高;究蒲袠I(yè)務(wù)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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