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北化工《Adv Mater Technol》:超轻超弹性纳米纤维增强MXene-石墨烯气凝胶,用于高

发布时间:2021-7-22 9:54:53      阅读43

  三维气凝胶压阻传感器以其高灵敏度和优异的力学性能引起了人们的极大关注。本文,北京化工大学潘凯研究员课题组在《Adv Mater Technol》期刊发表名为“Ultralight and Hyperelastic Nanofiber-Reinforced MXene–Graphene Aerogel for High-Performance Piezoresistive Sensor”的论文,研究基于纳米纤维增强MXene还原氧化石墨烯气凝胶,巧妙地设计并制备了一种具有超高线性灵敏度的新型压阻传感器。
  MXene的存在使压阻式传感器具有较高的电导率。此外,纳米纤维可以作为支架材料,通过穿透整个气凝胶网络,显著提高气凝胶的压缩弹性。此外,由于多组分之间的协同效应,所制备的压阻传感器表现出优异的性能,包括高线性灵敏度(331 kPa -1从 0 到 500 Pa,126 kPa -1从 500 Pa 到 7.5 kPa)、快速响应时间(负载 71 ms、恢复 15 ms)和低检测限(1.25 Pa)。更重要的是,即使经过 17 000 次压缩周期,仍能保持稳定的信号输出。此外,所制备的传感器可以有效地实时检测人体的呼吸、心跳和发声。基于这些优点,该传感器有望在未来的柔性可穿戴电子设备中显示出巨大的潜力。

 

  图1、聚丙烯腈纳米纤维(aPANFs)/ MXene 还原氧化石墨烯 气凝胶(MX-rGA)的制备过程示意图。

 

  图2、a) PAN 纳米纤维的 SEM 图像。b) MXene 的 TEM 图像。c) rGA 和 aPANFs/MX-rGA 的 XRD 谱。d-g) aPANFs/MX-rGA 的 SEM 图像以及 C、N 和 Ti 的相应元素映射图像。

 

  图3、a) 在 80% 应变下 aPANFs/MX-rGA的应力-应变曲线。
  b) 在 50% 应变下 aPANFs/MX-rGA经过500次循环的应力-应变曲线。
  c) 在 50% 应变下循环测试前后 aPANFs/MX-rGA 的高度。
  d-f)aPANFs/MX-rGA的层和g-i)孔的结构图和相应的SEM图

 

  图4、a) aPANFs/MX-rGA 传感器在不同压缩应变下的I - V曲线。
  b)传感器在不同压力下的I – t曲线。
  c) 响应和恢复时间。
  d) 压力对水滴的响应。
  e)基于aPANFs/rGA和aPANFs/MX-rGA的传感器的灵敏度。
  f) 敏感性结果与其他研究的比较。

 

  图5、a) aPANFs/MX-rGA 传感器在 17 000 次循环的重复加载-卸载测试下的I - t曲线。b) 呼吸,c) 手腕脉搏, d) 不同单词发音的信号。
  总之,我们开发了一种简单的策略,可以方便地制备基于纳米纤维增强 MXene-rGO 气凝胶的高性能压阻传感器。组装好的传感器可以灵敏地检测呼吸、心跳、和人体实时发声。基于上述优点,所制备的纳米纤维增强 MXene-rGO气凝胶有望在未来的柔性可穿戴智能传感器中找到广阔的应用前景。
  文献:https://doi.org/10.1002/admt.202100394

 

  文章来源:材料分析与应用

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