MXene在压力传感方面的应用

 1 简介 

随着第四次科技革命的到来，电子技术、人工智能、个性化医疗得到了迅速发展，带来了对智能传感器设备的需求爆发式增长。在可预见的前景，学术界和工业界都出现了对柔性可穿戴和可植入传感器的研究热潮。将压力转换为电信号的压力传感器在各类柔性传感器中占有重要地位，在运动健身、健康监测与评估、临床诊断、工业机器人等领域具有巨大的应用潜力。

MXene是材料科学中的一类二维无机化合物。这些材料由几个原子层厚度的过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物构成。它最初于2011年报道，由于MXene材料表面有羟基或末端氧，它们有着过渡金属碳化物的金属导电性。化学式为 M n +1 X n ( n = 1-3)，在过去十年中得到了广泛的研究。

MXenes的前身是一种称为 MAX 相的陶瓷材料（其中 M 代表早期过渡金属，例如 Ti、V、Nb、Cr、Mo、W 或它们的组合；A 是指来自主要 III 族的元素，例如Al或Ga；并且X是C、N或它们的混合物）。MAX 相具有优异的延展性、导电性和强度。在 MAX 阶段选择性蚀刻 A层可以获得手风琴状 MXene. 这意味着层间距为 MXenes 理论上很容易在外力作用下发生变化，从而引起内阻反应，从而 MXenes 可应用于压力传感器。

与石墨烯相比，MAX中的M和X原子更稳定。此外，MAX具有共价键、金属键和离子键，所以 MXene与仅包含 C-C 键的石墨烯相比，具有更丰富和可调节的特性。实际上，MXene 通过不同的合成方法获得的具有不同的官能化末端，这有利于将它们与其他功能材料结合形成高传感性能的复合材料。

2 MXene 系列柔性压力传感器的制备方法

最初，一个 MXene分散多层制备是基于柔性压力传感器 MXene 无水乙醇中的粉末并将其滴涂在柔性基材上。虽然它显示了使用的可能性 MXenes构建压力传感器，灵敏度和检测范围有限，灵活性差。这归因于合成中存在的杂质MXene，MXene 片材之间的弱相互作用，以及由蚀刻引起的缺陷。为了提高性能，一些研究人员使用了激光打印，热敏打印， 磁控溅射沉积等技术构建微结构 MXene 压力传感材料。

然而，复杂的加工工艺并没有从本质上改变其性能，反而大大增加了成本。因此，一些研究人员引入了具有活性基团的聚合物与MXenes （改性和非改性）以提高柔性传感材料的机械性能和导电性，从而拓宽柔性传感材料的应用 MXenes 在灵活的压力传感中。目前，通过这些方法获得的传感材料大致可分为以下四种形式：织物、薄膜、气凝胶和水凝胶。

1.织物柔性压力传感器

一般采用经处理等离子表面亲水处理或超声波清洗的商用柔性织物通过浸渍和喷涂有效粘合MXenes。织物粗糙的表面和丰富的羟基与 MXenes 构建微纳米结构并改善传感器的性能。为了提高织物传感器的稳定性，一些研究人员给出了 MXenes 或织物疏水性以获得稳定、长效的柔性压力传感器。

此外，一些研究人员使用混合 MXenes 和聚合物作为纺丝溶液来制备 MXene基纤维通过纺丝技术，然后由机织织物或纤维制成柔性压力传感器。

2.薄膜柔性压力传感器

图1.Mxene改性的织物传感器

MXene溶液具有优良的分散性和加工性，可通过过滤、沉积等方法生产复合薄膜。一些研究人员通过允许 MXenes 通过直接干燥或真空干燥自然沉降。或者，可以通过过滤制备膜，其中除去大部分水，然后将膜干燥以提高材料之间的结合程度。

在这个过程中，首先通过真空力加强材料间的结合力，然后利用水分蒸发产生的沉积力，获得具有强界面效应的复合薄膜。为了进一步规范和设计材料的微观结构，通过逐层自组装过滤获得薄膜。这样可以防止重复堆叠 MXene纳米片，从而提高传感器的性能。此外，一些研究人员还直接选择了柔性薄膜基板，通过喷涂和旋转涂层的方法获得了带涂层的柔性压力传感器。

图2.MXene薄膜传感器

3.气凝胶柔性压力传感器

到目前为止，主要的制备方法 MXene基气凝胶是冷冻干燥和还原自组装。冻干方法分为普通冻干、 单向冷冻干燥和双向冷冻干燥。定向冷冻干燥可以通过控制冷却温度、冷却速度和冷却方向来调整气凝胶的微观结构，从而获得有序的骨架。这种结构可以促进压力的传递和消散，有利于提高性能，延长使用寿命。

此外，通过双向冷冻干燥构建的气凝胶通常具有更好的各向异性，因此具有更好的力学性能。还原自组装法是利用化合物中的活性基团成分与 MXenes 形成自组装凝胶，然后通过还原增强材料的导电性。此外，研究人员使用海绵或泡沫作为骨架，通过浸渍 MXene 解决方案将它们附着在骨骼上，或使用壳聚糖作为粘合剂。 

图3.Mxene复合气凝胶压力传感器

4.水凝胶柔性压力传感器

制备方法是混合 MXenes 与其他聚合物（聚乙烯吡咯烷酮、聚（3,4-乙烯二氧噻吩）、聚（4-苯乙烯磺酸盐）、聚多巴胺等）一起使用 MXene 表面基团与聚合物相互作用，然后使用聚合反应形成水凝胶。通过氢键和多维交织形成多网络结构，可以提高水凝胶的力学性能。构建的多网络结构可以赋予水凝胶柔性压力传感器其他性能，如防冻、自我修复和超强附着力等，使其在人造皮肤等智能传感方面更有潜力。

图4.MXene复合水凝胶压力传感器

总结

MXenes由于其良好的导电性、机械性能和易于控制等优点，在柔性压力传感器领域受到越来越多的关注。近年来，在材料微观结构、传感机制和性能方面的研究取得了突破性进展。未来的一个主要方向是调整微观结构MXenes并选择合适的材料获得高灵敏度、宽响应范围的柔性压力传感器，实现在运动监测、健康检测、临床医学等领域的实际应用。