MXene智能压敏传感器的研究

1、MXene智能压敏传感器的研究石墨烯的发现极大推动了科研工作者对单原子或几个原子层厚的二维材料的研究。2011年,YuryGogotsi课题组创造性制备出一种组成丰富和性能可调的新型过渡金属碳化物或氮化物(MXene)。因具有较大的比表面积、良好的亲水性、金属导电性(201Qsq^-l)等物理化学性能,它们已经被应用于储能、电磁屏蔽、海水淡化、生物治疗等领域。然而，却鲜有报道MXene在传感器领域的相关研究。本论文从制备尺寸均一、结构稳定的MXene材料出发，设计了基于MXene高灵敏的压力传感器。使用原位透射电子显微镜(in-situTEM)、扫描

2、电子显微镜(in-situSEM)等手段研究了MXene材料形貌、结构和力作用下的微观变化。详细分析了材料微结构对传感器件性能的影响,并探究了其在实时监测人体运动、探测压力分布等方面的实际应用。论文的主要研究工作如下:(1)优化现有的MXene制备工艺:2011年,YuryGogotsi等在室温下用高浓度的氢氟酸(HF)选择性刻蚀前驱体MAX,合成出具有手风琴结构的MXene。在此基础上，我们系统探究了反应温度和HF浓度对于制备MXene材料产量和质量的影响,从而得出最佳的合成工艺。另一方面，从手风琴结构的MXene制备单层MXene纳米片的方法，工艺繁琐，对环境污染较大,且操作不当会造成人身

3、伤害。此方法一般都要先经过二甲基亚砜(DMS0)预插层处理,然后超声剥离。我们优化现有方案，使用盐酸(HCl)和氟化锂(LiF)一步法合成了MXene胶体溶液。用该方法制备的MXene纳米片无杂质,分散均匀,结构稳定,易于和其它材料进行复合。(2)研制出层间距离极大可调的MXene高灵敏柔性压阻传感器。对聚焦离子束（FIB）电镜加工处理后的Ti₃C₂T_X（MXene的一种）进行in-situTEM研究发现:在外力的作用下,MXene层间距离减小;外力撤去后,

4、层间距离恢复原来的状态。MXene的层间距离减小,意味着导电通路增加,电流增大、电阻减小;层间距离恢复，意味着导电能力的恢复，电流减小、电阻增大。In-situSEM研究显示MXene样品在经过上百次的来回压缩后,其层状结构可以恢复到初始的状态，表明其具有良好的机械性能。借助于柔性聚酰亚胺（PI）叉指电极,我们制备了一种层间距离极大可调的MXene高灵敏柔性压阻传感器。该器件显示了极高的灵敏度（GF:180.1），极快的响应速度（<30ms）,极好的循环稳定性（>4000次）。研究有利于拓宽MXene等新型二维材料在电子皮肤、可穿戴电子设备中的应用。（3）研制出基于

5、MXene/还原氧化石墨烯（rGO）复合气凝胶的高灵敏度柔性传感器。三维多孔气凝胶具有超轻、超弹性和相对稳定的特性，是制备压阻传感器的重要结构材料之一。考虑到溶液一步法合成的高浓度MXene纳米片很难自组装成稳定的三维结构（MXene纳米片横向尺寸很小）以及基于石墨烯气凝胶三维结构的压阻传感器的灵敏度有待进一步提高。我们采用超声物理混合，真空冻干和退火工艺制备出MXene/rGO复合气凝胶。该气凝胶不仅结合了MXene良好的导电性和石墨烯较大的横向尺寸结构的优点，而且制备工艺简单，有望实现规模化生产。基于MXene/rGO复合气凝胶的压敏传感器表现了极高的灵敏度（22.56（kPa^-l）,极好的稳定性（10000次）和较快的响应速度（200ms）。该传感器的检测灵敏度极限在10Pa以下，优于碳材料和高分子聚合物基的