柔性压力传感器是电子皮肤、机器人和健康监测领域最重要的组件之一，具有模仿和增强人类触觉的独特能力。MXene是一种新兴的二维纳米材料，它的出现为压力传感注入了新的活力。其中，Ti3C2Tx是压力传感领域研究最为广泛的MXene材料，具有良好的力学、电学性能、优异的亲水性和广泛的可改性特点。它将改善压力传感器敏感层和电极层的性能，并将压力传感技术灵活地应用于电子皮肤等许多领域。鉴于此，华中科技大学高义华教授和刘逆霜副教授等人在MXene的制备、复合结构设计以及压力传感机理等方面作了深入调查及总结归纳。
1. MXene的制备、抗氧化和性能
Gogotsi教授团队通过使用氢氟酸（HF）选择性蚀刻MAX（Ti3AlC2）相，获得了第一个MXene材料Ti3C2Tx。随后，人们研究了各种物理和化学合成策略，以获得具有丰富构型和优异性能的MXene，进一步促进功能材料和先进智能器件的快速发展。目前，最常见和安全的方法是原位HF蚀刻方法。酸/氟化物盐溶液，例如HCl/LiF、HCl/NH4F、HCl/FeF3或H2SO4/LiF可直接与Ti3AlC2分散液混合以蚀刻A原子层。除了使用酸去除A原子层以获得具有丰富表面端基的MXene外，实际上，碱还可以实现对MAX相的选择性蚀刻，并实现对不含-F官能团的MXene的改性，促进了MXenes在储能和传感领域的发展。为了扩展MXene的结构和终端基团类型，研究人员还提出熔盐法来合成MXene。
由于空气、水和光的共同作用，MXene纳米片会在水和潮湿环境条件下发生不必要的氧化和性能退化。基于此，许多研究人员还致力于利用良好的储存条件进一步减少或防止MXene的氧化，例如，存入密封的Ar、N2和He气，存于低温环境，利用无水有机溶液作为分散剂。通过HF成型蚀刻和氟化物盐法优化制备，以获得缺陷较少的MXenes，也有助于防止氧化。MXene的物理化学性质主要取决于其组成和表面基团，本文对MXene的性质进行了总结。
图1. MXenes的制备策略。a) MAX相和相应MXene的结构[1]。b) Ti3AlC2和氟化氢之间反应的示意图[2]。c) Ti3AlC2和NaOH溶液之间反应的示意图；Ti3C2Tx的SEM和TEM图像[3]。d) Ti3AlC2和ZnCl2之间反应的示意图；Ti3ZnC2的高分辨TEM图像和EDS元素分布图[4]。
2. 基于MXene的复合结构设计
简要介绍了基于MXene的力敏微结构的设计，包括水凝胶、气凝胶、泡沫、织物和复合纳米纤维。其中，基于MXene的气凝胶和泡沫结构具有高孔隙率、低密度和可控的三维（3D）多孔结构，在压力传感方面显示出巨大的潜力。通过控制3D网络结构和增加氢键数量，MXene修饰的水凝胶在压力传感领域也表现出快速自愈和高拉伸强度。除了在压敏材料方面的杰出贡献外，MXene在传感器电极材料方面也显示出独特的优势。
图2. 基于MXene的结构设计。a) Ti3C2Tx/rGO气凝胶制造示意图[5]。b) Ti3C2Tx/CNF泡沫制造示意图；压缩-恢复循环的SEM图像；Ti3C2Tx/CNF泡沫在H2O2溶液中的降解过程[6]。c) MXene实现高质量水凝胶的示意图[7]。d) 导电Ti3C2Tx/棉织物示意图；原始棉织物和导电Ti3C2Tx/棉织物在不同放大倍数下的SEM图像[8]。e) SF@Ti3C2Tx生物复合膜示意图；在功能化多糖膜上培养的染色HSAS1人皮肤成纤维细胞和对照组的荧光图像[9]。f) 柔性电极制造示意图[10]。g) PL- Ti3C2Tx电极的横截面扫描TEM图像；PL- Ti3C2Tx电极的照片；由Ti3C2Tx薄片和PVPh聚合物层组成的PL- Ti3C2Tx电极示意图[11]。
3. MXene器件的压力传感机制
根据工作原理的不同，压力传感器可分为压阻式、电容式、压电式、摩擦电式和电位式。其中，不同工作原理的传感器所需的材料特性不同。由于MXene具有优良的特性，已被应用在各种传感原理中。然而，当MXene用作压力传感器时，需要优化相关的性能。
图3. 基于MXene的压力传感机制。a) Ti3C2Tx/rGO气凝胶在外压下的压阻传感机制和内部微观结构示意图[5]。b) 电容式压力传感器和针织传感器机电性能的示意图[12]。c) Comsol模拟的两个传感器在外部压力下的示意图，以及在给定压力下两个传感器的距离和接触面积的变化[10]。d) 单层Ti3C2Tx压电效应的能带图和单层Ti3C2Tx压电设备的工作原理[13]。e) DSC-TENG接触分离模式的工作机理示意图[14]。f) 机械电位转换机制示意图[15]。
4. MXene压力传感器与其他设备的集成
除了一体化自供电压力传感器的设计之外，研究最多的方案是集成各种设备，例如能量收集器件（如太阳能电池、热电设备和纳米发电机）、储能设备（如电池和超级电容器）和各种类型的压力传感装置的组装。目前常用的集成方法有光刻、激光切割、蒸发、电沉积和印刷技术。这些方法在集成电路和目标功能设备（如储能、气体检测和健康监测）中显示出巨大的潜力。充分考虑到MXene的多功能性，例如丰富的功能表面基团、独特的电化学、电学和优异的机械性能，可以通过光刻、印刷和其他方式将具有多种功能的MXene集成到具有优异兼容性的模块中。
图4. MXene压力传感器与其他设备的集成。a) 全柔性自供电集成系统制造示意图[16]。b) Ti3C2Tx微型超级电容器和自充电系统的制造示意图[17]。
5. 总结与展望
基于MXene的压力传感器将在人工智能、电子皮肤、医疗健康等领域显示出巨大的发展前景。然而，柔性MXene压力传感器仍有许多问题亟待解决。
1. MXene的合成通常需要使用含氟试剂，这对人体和环境有严重危害。此外，不同的合成方法会导致MXene纳米片的大小和缺陷不同，这将影响其导电性和力敏性。因此，探索绿色合成方法迫在眉睫，同时也需要能够准确控制MXene形态和尺寸的方法。
2. 需要探索MXene的生物适应性和自然降解问题。尽管一些研究已经证明MXene压力传感器可以在H2O2溶液中降解，但这个过程需要化学试剂。对人体生物适应性的研究还不够充分。
3. 对MXene最常见的研究是对压阻传感器的力敏层的改性。与其他比较成熟的复合材料相比，MXene的性能还不够好。主要体现在以下几点。(1) 循环性能不够好。MXene气凝胶或MXene泡沫作为压力传感器的力敏层，通常容易被氧化。(2) 适用场景有限，不可在高温高湿的环境下长期工作。迫切需要进一步加强MXene的抗氧化性，提高器件的使用寿命。还可以通过MXene本身或附着在骨架结构上的化合物改性来提高力敏层的压力感应性能。
此外，目前基于MXene压力传感的研究一般都是基于材料和结构的设计，很少从传感机理入手来调节压力传感的性能。器件的响应机制是器件发展的核心内容，取决于器件的整体结构设计。因此，为了更好地发展压力传感器，对传感机理的研究是必不可少的。除了传统的压阻式、电容式、压电式、摩擦静电式等压力传感机制外，电位机制的出现也给压力传感器的发展带来了新的选择。另一方面，随着电子皮肤领域的快速发展，小型化的自供电设备将是一个广泛的研究趋势。因此，一体式或集成式自供电压力传感器的研究需要得到更多的关注。
1. M. Naguib, V. N. Mochalin, M. W. Barsoum, Y. Gogotsi,Adv. Mater.2014,26, 992.
2. A. Feng, Y. Yu, Y. Wang, F. Jiang, Y. Yu, L. Mi,Mater. Design2017,114,161.
3. B. Zhang, J. Zhu, P. Shi, W. Wu, F. Wang,Ceram. Int.2019,45,8395.
4. M. Li, J. Lu, K. Luo, Y. Li, K. Chang, K. Chen,J. Am. Chem. Soc.2019,141, 4730.
5. Y. Ma, Y. Yue, H. Zhang, F. Cheng, W. Zhao, J. Rao, ACS Nano2018,12, 3209.
6. T. Su, N. Liu, Y. Gao, D. Lei, L. Wang, Z. Ren,Nano Energy2021,87,106151.
7. J. Huang, X. Huang, P. Wu,Chem. Eng. J.2022,428,132515.
8. Y. Zheng, R. Yin, Y. Zhao, H. Liu, D. Zhang, X. Shi,Chem. Eng. J.2021,420,127720.
9. D. Wang, L. Wang, Z. Lou, Y. Zheng, K. Wang, L. Zhao, Nano Energy2020,78,105252.
10. X. He, Z. Liu, G. Shen, X. He, J. Liang, Y. Zhong,npj Flexible Electronics2021,5, 17.
11. S. Lee, E. H. Kim, S. Yu, H. Kim, C. Park, S. W. Lee, ACS Nano2021,15, 8940.
12. S. Uzun, S. Seyedin, A. L. Stoltzfus, A. S. Levitt, M. Alhabeb, M. Anayee,Adv. Funct. Mater.2019,29, 1905015.
13. D. Tan, C. Jiang, N. Sun, J. Huang, Z. Zhang, Q. Zhang, Nano Energy2021,90,106528.
14. M. Salauddin, S. S. Rana, M. T. Rahman, M. Sharifuzzaman, P. Maharjan, T. Bhatta,Adv. Funct. Mater.2021,2107143.
15. D. Lei, Q. Zhang, N. Liu, T. Su, L. Wang, Z. Ren,Adv. Funct. Mater.2021,2108856.
16. S. Zheng, H. Wang, P. Das, Y. Zhang, Y. Cao, J. Ma, Adv. Mater.2021,33, 2005449.
17. Q. Jiang, C. Wu, Z. Wang, A. C. Wang, J. H. He, Z. L. Wang, Nano Energy2018,45,266.
--纤维素--
--帮测科技--
来源：高分子科学前沿
声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！