黑磷@MXene薄膜构建柔性自供电集成传感器系统

研究背景

全文导读

鉴于此，吉林大学制备了一种灵活耐用的基于MXene/BP的自供电可穿戴系统，用于准确和连续检测人类生理信号。通过使用LbL自组装工艺得到层状结构的MXene/BP，并通过激光雕刻技术将其制备成微型超级电容器来储存太阳能电池产生的能量，以驱动同样基于MXene/BP制备的压力传感器的运行。在此系统中，柔性超级电容器提供了896.87 F cm-3的体积电容，柔性压力传感器显示出高检测灵敏度(77.61 kPa-1)和快速响应/恢复时间(10.9/12.9 ms)。因此，该自供电智能传感器系统可用于实时监测人体脉搏，并可用作可穿戴腕带。这种先进材料和设备的集成方法为下一代自供电电子产品提供了巨大的潜力。相关论文成果以“Flexible Self-Powered Integrated Sensing System with 3D Periodic Ordered Black Phosphorus@MXene Thin-Films”为题发表在Advanced Materials上。

导读如下：

首先，MXene/BP多层薄膜通过Ti3C2Tx MXene和BP纳米片溶液的分层真空过滤获得。将MXene/BP薄膜与涂有ITO薄膜层作为顶部和底部电极的柔性PET基板压合得到具有宽压力响应的柔性压力传感。用1 M PVA/H2SO4凝胶作为电解质滴铸到激光划线的MXene/BP叉指电极表面上，用于制造固态超级电容器。

图1：基于MXene/BP的自供电智能传感器系统的制备示意图。

MXene/BP多层薄膜表征如下：

图2：混合MXene/BP薄膜的表征：混合MXene/BP薄膜的a)光学图像和b)SEM横截面图像；c）混合MXene/BP薄膜的内部结构示意图；d)EDS谱图；e)XRD图；f)拉曼光谱图；P2p(g)、Ti2p(h)和O1s(i)的XPS谱图。

MXene/BP混合薄膜的柔性微型超级电容器无论弯曲程度如何，微型超级电容器都表现出优异的电化学稳定性，从而显示出优异的机械稳定性。同时，作者还在保持弯曲条件的同时测试了微型超级电容器的柔韧性耐久性（图3h）。在经过10000次循环后，电容保持率仍高达91.74%。

图3：基于MXene/BP膜的超级电容器的电化学性能和不同屈服下的电化学性能。

基于柔性压力传感器中的应用，其中的以分子结构层次揭示了MXene/BP的压力传感器的工作原理。同时为了进一步验证柔性压力传感器的响应行为，作者测量了柔性传感器在不同压力水平下的电流变化。也研究基于MXene/BP的柔性压力传感器的传感特性，测试了手指在不同角度的摆动和弯曲对应于压力变化的传感器电流变化。

图4：基于MXene/BP的柔性设备，用于感知和区分刺激的电流信号响应。

文章结论

通过LbL自组装工艺制备了具有周期性交错层状结构的MXene/BP薄膜，并将其用作微型超级电容器和柔性压力传感器的核心材料。基于MXene/BP的微型超级电容器显示出高比电容，优异的倍率性能和长期循环稳定性。基于MXene/BP的柔性压力传感器提供高达≈77.61 kPa-1的灵敏度和10.9 ms的快速响应时间，完全覆盖了生物受体的工作范围。此外，作者设计了一种由柔性压力传感器、微型超级电容器和太阳能电池阵列组成的自供电集成系统，证明了其在生理条件下检测人体心脏状态的能力。

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