AElectM：MXene中空球/rGO气凝胶压阻传感器

随着智能可穿戴电子设备需求的不断增长。开发能够有效捕捉压力细微变化的新型柔性传感设备是非常必要的。到目前为止，已经开发了大量的压力传感器，包括电容式、压电式、和压阻式。其中，压阻式传感器因其制造成本低、温度稳定性好、压力敏感性强等优点而脱颖而出。压阻式压力传感器能将机械应变的变化转化为电阻的变化，因其工作原理简单、对压力敏感而得到广泛应用。然而，传统的压阻式压力传感器通常是基于硅等刚性基底，这些基底不能皮肤贴装，因此不能满足智能可穿戴电子设备的便携性和灵活性需求。为解决这个问题，一种方法便是利用碳质纳米材料作为制造高弹性材料的基材。虽然目前已有很多研究，然而，进一步提高碳气凝胶压力传感器的灵敏度和检测范围仍是一个挑战。

近期，华中科技大学高义华教授在国际知名学术期刊Advanced Electronic Materials上发表一篇题目为：Hollow MXene Sphere/Reduced Graphene Aerogel Composites for Piezoresistive Sensor with Ultra-High Sensitivity的研究论文，文中将空心MXene球引入还原氧化石墨烯片层中，拓展了MXene球与还原氧化石墨烯薄片接触的新途径。这种增加的连接将扩展导电路径，从而大大增加了器件的灵敏度。组装的基于MXene中空球/rGO复合气凝胶的压力传感器展现出大范围内的高灵敏度（对于低于3.3 kPa 的压力灵敏度为61 kPa⁻¹, 从3.3到6.4 kPa的压力灵敏度为334 kPa⁻¹, 高于6.4KPa的压力灵敏度为609 kPa⁻¹），快速的响应时间（232 ms），超过6000次的使用寿命以及极低的检测下限（6 Pa）。这个压阻式传感器在实时监测各种人体活动以及测量压力分布方面也显示出了良好的应用前景。

图1. 材料合成以及器件制备示意图。

图2. MXene、MXene/PS杂化球、MXene球/rGO复合气凝胶的表征。

图3.MXene中空球/rGO气凝胶压力传感器在压力释放周期中的弹性机理和内部微观结构。

图4.MXene中空球/rGO气凝胶传感性能。

图5.利用MXene球/rGO气凝胶传感器对人体各种活动和微小压力实时监测。

图6.MXene球/rGO气凝胶压力传感器的4×4矩阵以及机器人演示。

      综上所述，本文采用牺牲模板法和冻干技术制备了MXene中空球/rGO复合气凝胶，并将其组装成压阻式传感器。该压力传感器有出色的耐用性（6000次），极低的检测下限（6 Pa），快速的响应恢复以及大范围内的高灵敏度（对于低于3.3 kPa 的压力灵敏度为61 kPa−1, 从3.3到6.4 kPa的压力灵敏度为334 kPa−1, 高于6.4KPa的压力灵敏度为609 kPa−1）。此外，引入MXene球结构增加了MXene球与rGO骨架的额外接触，使得复合气凝胶的传感性能相比其他纯rGO气凝胶或MXene/rGO气凝胶有了很大的提高。此外，还探索了传感器的各种实际应用，揭示了其在软机器人和可穿戴电子设备上的潜在应用。

 

文献链接：

https://doi.org/10.1002/aelm.201901064.

信息来源：MXene Frontie