MXene因其優(yōu)異的力學性能、金屬導電性等物理化學性能而受到廣泛關注。然而，其優(yōu)異的機械性能通常表現在納米級單層MXene片材中。由于MXene在成型過程中各層之間的范德華相互作用較差，MXene薄膜在宏觀尺度上往往表現出較差的力學性能，如脆性，甚至斷裂。因此，當具有優(yōu)異電子性能的MXenes用于器件時，其抵抗外界損傷的能力往往較差，使得器件性能容易退化甚至失效。這里使用一維芳綸納米纖維通過層間氫鍵作用構建了具有高機械強度的MXene納米片。MXene膜片用于自修復柔性壓力傳感器，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)）和優(yōu)異的自修復性能。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/m
3），分別為純MXene的約712%和約3347%。基于MXene/ANF的壓力傳感器由于具有自愈性的外殼和堅固的MXene敏感層的共同作用，實現了對復雜外部損傷的良好抵抗，滿足了未來智能穿戴電子設備的發(fā)展需求。
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Figure 1. 介紹了高強度MXene膜片的制作工藝及壓力傳感器的組裝。(A)高強度MXene/ANF復合膜的合成(B)MXene片層和插入ANFs的復合結構，以及氫鍵形成的原子示意圖。(C)MXene、MXene/ANF和ANF的傅里葉變換紅外光譜（FTIR）。(D)MXene/ANF薄膜的橫截面SEM圖像。(E)具有自愈性能的高強度柔性壓力傳感器的裝配過程示意圖。
Figure 2. MAX相、MXene納米片和MXene/ANF薄膜的形貌、結構及成分表征。(A) MAX 相微團簇的 SEM 圖像。 (B) MXene 納米片的 SEM 圖像和相應的片尺寸分布。 (C) MXene 納米片的 TEM 圖像。插圖是相應的 SAED 圖案。 (D) MXene 納米片的 AFM 圖像。插圖輪廓表示 ~1.49 nm 的板材厚度。 (E) MXene/ANF 復合薄膜的橫截面 SEM 圖像和相應的 C、Ti、O 和 F 元素的 EDS 元素圖。 (F) 具有不同質量比的 ANF 的 MXene 薄膜的 XRD 圖，以及相應的 MXene 層間距。 (G) ANF 的 TEM 圖像。 (H) 靜電紡絲制成的 PEI 絕緣層。 (I) MXene 紙基叉指電極 (J) MXene 和 MXene/ANF 薄膜的 XPS 光譜。
Figure 3. 增強的 MXene 片材的機械性能和自愈壓力傳感器的機制。 (A) 應力-應變、(B) 拉伸強度和 (C) 韌性 (D) 具有不同質量比的 ANF 的 MXene 片材的楊氏模量。 (E) 經過多次折疊處理的純 MXene 和 MXene/ANF 復合片材的照片，用于比較。 (F) 通過 FIB/SEM 原位觀察到的 MXene 片材在壓合和釋放過程中的層間結構變化。當施加壓力時，層間結構收縮，而當壓力釋放時，層間結構恢復。 (G) 解釋壓力傳感過程機制的等效電路示意圖。 (H) PU 的自愈機制，以及顯示 PU 自愈過程的照片。
Figure 4. 高強度 MXene 傳感器的傳感性能。 (A) 高精度電信號測試系統(tǒng)示意圖。 (B) I - V 傳感器的曲線，包括 30% 的 ANF。在不同壓力下電壓對電流的線性依賴性驗證了 MXene 和叉指電極之間的歐姆接觸。 (C) 具有 ANF 系列質量比（從 0% 到 50%）的壓阻傳感器的靈敏度。對應于 30% ANF 的那個在兩個壓力分布區(qū)域內分別表現出 208.7 kPa
-1 和 36.6 kPa
-1 的超高靈敏度。 (D) 在低于 30 kPa 的連續(xù)壓力下，具有 30% ANF 的傳感器的 I - T 曲線。 (E) 傳感器在 12.52 kPa 下的不同速度下表現出優(yōu)異的傳感性能均勻性。 (F) 傳感器在 1.81 kPa 下的響應和恢復時間。 (G) I - T 和 P - T 曲線在 10.51 kPa 下的周期性加載和卸載條件下的響應。 (H) 器件在 21.56 kPa 壓力下經過 45,000 次壓力循環(huán)后具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性能。右軸表示保留百分比。 (I) 張力測試系統(tǒng)示意圖。 (J) 在 10° 到 60° 的連續(xù)彎曲角度下，使用 30% ANF 的傳感器的 I − T 曲線。 (K) 顯示設備自我修復過程的照片。 (L) 設備在 1.84 kPa 下經過多次自愈過程循環(huán)后的靈敏度。
Figure 5. .高強度MXene壓力傳感器在實時監(jiān)測人體活動和檢測微小物理信號方面的應用（第一組）。電流變化形式的信號響應來自（A）手指彎曲，（B）手腕彎曲，（C）肘部擺動，（D）膝蓋彎曲，（E）腳踝彎曲，（F）手腕脈搏（放大圖是脈沖振動波形的放大圖），（G）水滴（9.8Pa），（H）氣球放氣，（I）防水性能。
Figure 6. 高強度 MXene 壓力傳感器的應用（第 II 組）。 (A) 壓力信號通過傳感器控制 LED 的亮度。 (B) 電路中壓力信號的遠程監(jiān)控。 (C) 壓力陣列識別。 (D) 檢測機器人的運動。 (E) 傳感器經過自愈處理后仍然可以控制LED的亮度。
相關研究工作由華中科技大學Luying Li課題組和安徽大學Yang Yue 課題組于2022年聯合發(fā)表于《Chemical Engineering Journal》期刊上，原文：High-Strength MXene Sheets through Interlayer Hydrogen Bonding for Self-Healing Flexible Pressure Sensor。
轉自《石墨烯研究》公眾號
