合工大胡颖团队 CEJ：基于MXene异质结构的压电离子传感器及其可穿戴应用

2024-02-02 来源：高分子科技

人体皮肤通过离子运动诱导的电位感知外部触觉信息。压电离子（Piezoionic）传感器作为一种新型的自供电传感器件，能够通过类似的离子迁移将机械能直接转化为电能，从而实现对于力学的感知，并且具有弯曲应变方向识别特性，因而在构建模拟天然皮肤感知能力的人工皮肤中具有极大的优势。然而，受到电极材料特性的影响，目前发展的离子压电传感器仍然存在柔韧性低、电极层与离子聚合物层界面结合性差等问题，导致其输出电压较低、循环稳定性较差，限制了离子压电传感器的进一步发展。

近日，合肥工业大学胡颖研究员团队，与中山大学附属第一医院刘志豪副主任医师合作，报道了一种基于MXene/银纳米颗粒（AgNPs）异质结构电极的柔性压电离子传感器，并探索了其在人体运动检测、医疗康复以及人机交互方面的潜在应用。

研究人员首先通过化学还原在MXene纳米片层上原位生长AgNPs，制备了MXene/AgNPs异质结构电极材料。然后以离子液体（EMIBF₄）和热塑性聚氨酯（TPU）的混合物作为离子聚合物中间层，通过热压的方式制备了基于 MXene/AgNPs电极的柔性压电离子传感器（图1）。MXene作为电极材料，具有良好的导电性、大的比电容以及出色的柔韧性，同时其较大的比表面积和可调节的层状结构也有利于离子的传输和储存。然而，纯MXene纳米片之间会产生重堆叠，影响其离子传输及机械性能。在此，通过将AgNPs原位生长在MXene纳米片上，能够克服纳米片的堆叠，提高电极结构的力学稳定性；同时，也可以增大MXene纳米片层之间的层间距，进一步改善离子的储存和传输（图2）。

图1.压电离子传感器的传感原理与制备

图2.压电离子传感器的表征

该MXene/Ag压电离子传感器具有优异的传感性能，在0.7%的弯曲应变下可以产生11.1mV的输出电压，能够识别弯曲应变方向，并且在循环弯曲测试中表现出优异的稳定性（图3）。基于其优异的力-电转化性能，该传感器可应用于人体各关节活动的可穿戴监测。此外，该传感器能够用于指导高质量心肺复苏（CPR）训练（图4）。将传感器集成到手套上，通过手指有节奏的弯曲和停顿可以生成相应的脉冲和方波电信号，从而以莫尔斯电码的形式进行信息加密传递（图5）。这些结果表明，这种柔性可穿戴力学传感器在人体运动监测，医疗健康，人机交互，信息编码传递等领域具有十分广阔的应用前景。

图3.压电离子传感器的传感性能

图4.传感器的可穿戴应用

图5.传感器在心肺复苏指导与信息传递方面的应用

该研究成果以“A MXene heterostructure-based piezoionic sensor for wearable sensing applications”为题发表于《Chemical Engineering Journal》上。合肥工业大博士研究生李林和硕士生潘家乐为论文的共同第一作者，合肥工业大学胡颖，中山大学第一附属医院刘志豪为论文的共同通讯作者。该项工作得到了国家自然基金、安徽省自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金等项目的大力支持。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S138589472400473X

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（责任编辑：xu）

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