柔性传感 | Nano Energy | MXene薄膜应用为摩擦纳米发电机的电极层制备自供电柔性传感

研究速览

■ 近日，河南理工大学周爱国课题组与和河南大学郑海务课题组，在国际知名期刊Nano Energy上发表题为“MXene supported by cotton fabric as electrode layer of triboelectric nanogenerators for flexible sensors”的研究论文。该论文将棉织物浸入在Ti3C2 MXene悬浮液中，无需任何复杂的化学合成，得到具有良好电负性的柔性导电膜。该导电膜作为电极层，与硅胶构建单电极的摩擦电纳米发电机（TENG）。这种新型TENG表现出良好的力学性能与电学性能，不需要外界供能，可以通过触摸精确测量导电物体的质量，可以作为柔性传感器，用于监测人体的生理信号。

▉ 研究摘要 ▉

■ 实时监测人体的各种生理信号对于人体健康评估来说是至关重要的。柔性传感器通常作为可穿戴设备，用于检测人体的生理信号。然而，大多数柔性传感器检测电容、电阻、压电信号的变化，需要频繁的充电，这极大地限制了其潜在的实际应用。摩擦电纳米发电机（TENG）是一种新型的低频能量收集技术，它可以可持续地将机械能转化为电能。然而，TENG 要想与可穿戴传感器兼容，还需要良好的柔性。柔性TENG要求摩擦层和电极层都具有柔韧性和拉伸性，且要求其性能良好并稳定，不会因拉伸、扭转、弯曲或其他外力因素而损坏。因此，选择合适的电极材料对于柔性 TENG 的正常和稳定输出至关重要。

■ 鉴于此，河南理工大学周爱国课题组与河南大学郑海务课题组合作报道了一种新型的TENG。将棉织物浸入在Ti3C2 MXene悬浮液中，无需任何复杂的化学合成，得到具有良好电负性的柔性导电膜。该导电膜作为电极层，与硅胶构建单电极的摩擦电纳米发电机（TENG）。这篇报道成功的解决了TENG电极层因失水、破损、柔韧度较低等影响传感性能的问题。这种新型的TENG 可以在单电极模式下产生高达400V的开路电压。收集的能量可以直接为32个串联的绿色发光二极管或电容器提供动力。与以往的传感器相比，新型 TENG 传感器具有以下优点：

(1)采用简单的浸渍法制备，

(2)可实现自供电传感，

(3) 输出电压几乎与被接触物体的质量呈线性变化，

(4)具有良好的稳定性，使用寿命长，

(5)棉织物作为基底具有较高的灵活性，同时保证了较高的电压输出。

■ 研究要点1：

作者将Ti3C2Tx MXene作为浸渍溶液，在MXene溶液中掺入不同质量的纤维素纳米纤维（CNF）溶液。CNF的引入，促进了MXene纳米片之间的互联，增强了TENG的输出性能。硅橡胶表面旋涂银纳米线，增强了电子的传输能力。以棉织物支撑的MXene/CNF薄膜作为电极，保证了TENG的灵活性，并将此命名为MC-TENG。

图1.MC-TENG制备工艺示意图。

■ 研究要点2：

由于静电吸附，MXene/CNF混合物均匀地分散在棉织物表面。XRD、扫描电镜（SEM）和EDS元素映射图也证明了这一点。

图2. MXene/CNF棉织物电极的微观表征。

■ 研究要点3：

作者通过对比实验证明了MXene与CNF的比例为4:1时，MC-TENG有着最高的电压电流输出。硅橡胶表面的银纳米线也是一个影响TENG输出性能的重要因素。实验结果表明，在硅橡胶表面旋涂银纳米线后，TENG的输出性能会有大幅度增加。

图3. 影响MC-TENG输出性能的研究。

■ 研究要点4：

根据摩擦纳米发电机的工作原理，通过接触分离和静电感应的耦合便可持续产生输出信号。

图4. MC-TENG在单电极模式下的工作原理。

■ 研究要点5：

MC-TENG可以将日常环境中的机械能持续地转化为电能，连接电阻负载，可以表征其功率密度。收集的能量可以为电容器充电，点亮LED灯。

图5. MC-TENG对机械能的收集与应用。

■ 研究要点6：

TENG的输出电压与接触物体传递的电子容量有关。从电压出发，可以检测接触物体的电容量。电容量与物体的质量或体积成正比。因此，TENG可以通过接触来感知物体的质量或体积。精确检测的质量范围为2g-200g。

图6. MC-TENG感知钢块质量。

■ 研究要点7：

以上研究证明，TENG具有较高的灵敏度、可识别性，具有巨大的传感应用潜力。因此，它可以作为自供电传感器来监测人体的运动。还可以根据不同情况的拉伸、弯曲、折叠、书写产生特定的峰值信号。

图7. MC-TENG用于人体自供电传感。

图8. MC-TENG在不同应变水平下的输出信号与感知书写。

▉ 研究总结 ▉

■ 作者将棉织物浸渍在MXene和CNF的混合溶液中得到电极层，然后将电极层与硅橡胶组装成一种新型的TENG。MC-TENG可以在人手掌的按压释放过程中输出~400 V的电压。由MC-TENG收集的能量可以照亮32个绿色LED。根据电压可以感知2g-200g钢块物体的质量。同时，TENG对机械刺激有着超高的灵敏度，根据不同的拉伸，弯曲和折叠产生特定的峰值信号。可以识别书写，可作为可穿戴式自供电传感器，实现对人体各种运动的实时监测。这项研究工作为可穿戴传感器的制备提供了一个新的参考。研究生樊嘉诚为本文第一作者，周爱国为通讯作者。

文章链接：

https://authors.elsevier.com/sd/article/S2211-2855(22)01051-5