华中科大李露颖教授和安徽大学岳阳副教授团队 CEJ：通过层间氢键作用的高强度MXene纳米片用于自愈性柔性压力传感器

2022-11-14 来源：高分子科技

近日，华中科技大学李露颖教授及其合作者安徽大学岳阳副教授团队采用层间氢键作用增强二维过渡金属碳化物（MXenes）片材的机械强度，并应用于高性能自修复柔性压力传感器。该高强度的MXene纳米片可有效抵抗不良的机械损伤，以及抑制柔性电子器件易于失效的问题。相关研究成果以High-Strength MXene Sheets through Interlayer Hydrogen Bonding for Self-Healing Flexible Pressure Sensor为题发表在Chemical Engineering Journal上。

MXene纳米片在纳米尺度上具有优异的机械性能。然而，宏观MXene纳米片由于层间范德华力弱，以及成型过程中层间和层间孔隙之间的氢键作用，其力学性能较差，导致基于MXene的微电子器件易发生故障。因此，提高MXenes的机械性能是实现MXenes在宏观和微电子器件中的优异金属导电性和表面性能的必由之路。

近年来，有关压力传感的研究大多集中在提高传感器的灵敏度上，而由复杂环境造成的机械损伤往往被忽视，而这一问题也成为制约柔性压力传感器进一步发展所不可忽视的阻力。

MXenes因其优异的机械性能、金属导电性等物理化学性质而受到广泛关注。然而，其优异的机械性能通常表现在纳米级单层MXene片材中。由于成型过程中MXene片层之间的范德华相互作用较弱，宏观尺度上的MXene薄膜往往表现出较差的机械性能，出现脆性甚至断裂等问题。因此，当具有优异电学性能的MXenes应用于器件中时，其抵抗外界损伤的能力往往较差，导致器件性能下降甚至失效。他们引入了一维芳纶纳米纤维（ANF），通过层间氢键作用构建了具有高机械强度的MXene片材。将该MXene片材用于自愈柔性压力传感器，所制备的器件具有高灵敏度（208.7 kPa^-1）、快速响应时间（10 ms）和恢复时间（33 ms）、优异的循环稳定性（45000次循环）和出色的自愈性能。使用了高强度MXene片材的压力传感器显示出优异的拉伸强度（65.5 MPa）和韧性（210.9 MJ/m³）。由于具有自愈性的外壳和坚固的MXene敏感层的综合作用，基于MXene/ANF的压力传感器实现了对复杂外部损坏的有效抵抗，从而满足了未来智能可穿戴电子设备的发展需求。