三維氣凝膠壓阻傳感器以其高靈敏度和優(yōu)異的力學性能引起了人們的極大關注。本文,北京化工大學潘凱研究員課題組在《Adv Mater Technol》期刊發(fā)表名為“Ultralight and Hyperelastic Nanofiber-Reinforced MXene–Graphene Aerogel for High-Performance Piezoresistive Sensor”的論文,研究基于納米纖維增強MXene還原氧化石墨烯氣凝膠,巧妙地設計并制備了一種具有超高線性靈敏度的新型壓阻傳感器。

MXene的存在使壓阻式傳感器具有較高的電導率。此外,納米纖維可以作為支架材料,通過穿透整個氣凝膠網(wǎng)絡,顯著提高氣凝膠的壓縮彈性。此外,由于多組分之間的協(xié)同效應,所制備的壓阻傳感器表現(xiàn)出優(yōu)異的性能,包括高線性靈敏度(331 kPa -1從 0 到 500 Pa,126 kPa -1從 500 Pa 到 7.5 kPa)、快速響應時間(負載 71 ms、恢復 15 ms)和低檢測限(1.25 Pa)。更重要的是,即使經(jīng)過 17 000 次壓縮周期,仍能保持穩(wěn)定的信號輸出。此外,所制備的傳感器可以有效地實時檢測人體的呼吸、心跳和發(fā)聲?;谶@些優(yōu)點,該傳感器有望在未來的柔性可穿戴電子設備中顯示出巨大的潛力。

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圖1、聚丙烯腈納米纖維(aPANFs)/ MXene 還原氧化石墨烯 氣凝膠(MX-rGA)的制備過程示意圖。

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圖2、a) PAN 納米纖維的 SEM 圖像。b) MXene 的 TEM 圖像。c) rGA 和 aPANFs/MX-rGA 的 XRD 譜。d-g) aPANFs/MX-rGA 的 SEM 圖像以及 C、N 和 Ti 的相應元素映射圖像。

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圖3、a) 在 80% 應變下 aPANFs/MX-rGA的應力-應變曲線。
b) 在 50% 應變下 aPANFs/MX-rGA經(jīng)過500次循環(huán)的應力-應變曲線。
c) 在 50% 應變下循環(huán)測試前后 aPANFs/MX-rGA 的高度。
d-f)aPANFs/MX-rGA的層和g-i)孔的結構圖和相應的SEM圖

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圖4、a) aPANFs/MX-rGA 傳感器在不同壓縮應變下的I – V曲線。
b)傳感器在不同壓力下的I – t曲線。
c) 響應和恢復時間。
d) 壓力對水滴的響應。
e)基于aPANFs/rGA和aPANFs/MX-rGA的傳感器的靈敏度。
f) 敏感性結果與其他研究的比較。

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圖5、a) aPANFs/MX-rGA 傳感器在 17 000 次循環(huán)的重復加載-卸載測試下的I – t曲線。b) 呼吸,c) 手腕脈搏, d) 不同單詞發(fā)音的信號。

總之,我們開發(fā)了一種簡單的策略,可以方便地制備基于納米纖維增強 MXene-rGO 氣凝膠的高性能壓阻傳感器。組裝好的傳感器可以靈敏地檢測呼吸、心跳、和人體實時發(fā)聲。基于上述優(yōu)點,所制備的納米纖維增強 MXene-rGO氣凝膠有望在未來的柔性可穿戴智能傳感器中找到廣闊的應用前景。

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