人類依靠離子傳輸來感知和處理觸覺信息。壓電傳感器可以通過類似的離子遷移直接將機械能轉化為電能，在可穿戴傳感中展現出應用。然而，受電極材料特性的影響，壓電離子傳感器的電壓輸出較低、穩定性差限制了其發展。在這里，我們設計了一種基于 MXene/Ag納米粒子異質結構電極的壓電傳感器，具有穩定的高性能電壓輸出。在離子介導的機電轉換過程中，電極中的層狀 MXene納米片為可移動離子提供傳輸通道。而Ag納米顆粒的層間插入增加了MXene納米片之間的層間距，改善了離子存儲和傳輸。在 0.7% 應變的彎曲變形下，傳感器輸出 11.1 mV 電壓。循環變形下電壓可保持穩定約13000s。基于良好的機電轉換，該傳感器可用于監測人體活動。還證明了該傳感器指導高質量心肺復蘇（CPR）訓練的可行性。而且，它可以粘附在手指上，通過手指有節奏地彎曲來產生脈沖或方波電信號，從而基于莫爾斯電碼的編碼原理來傳輸信息。這些結果表明自供電壓電傳感器在醫療康復和人機交互方面的潛力。
圖1. 壓電離子傳感器的傳感機理及制備方法。(a)基于精確離子傳輸的人體皮膚感受器觸覺感知機制示意圖。(b)基于彎曲變形下離子遷移的壓電傳感器的傳感機制。(c) MXene/Ag異質結構電極的制備過程示意圖。(d) 基于 MXene/Ag 電極的壓電離子傳感器的制造過程示意圖。
圖2. 壓電離子傳感器的形態特征。(a) 基于 MXene/Ag 電極的壓電離子傳感器的光學圖像。(bc) 基于 MXene/Ag 電極的壓電離子傳感器電極表面的 SEM 圖像。(d) MXene/Ag SEM 顯微照片的元素映射。(e) 傳感器整體結構的截面 SEM 圖像。(f) 傳感器的 MXene/Ag 電極層的橫截面 SEM 圖像。(g)分層 MXene/Ag納米片的TEM圖像。插圖顯示了 HRTEM（高分辨率 TEM）圖像。(h) MXene/Ag 和 MXene 的XRD 圖案。(i) MXene/Ag 和 MXene 的 BET 測試。
圖3. 壓電傳感器的傳感性能。(a) 傳感器響應所施加的彎曲應變的電位變化。(b) 基于 MXene/Ag 電極和 MXene 電極的壓電傳感器在相同彎曲應變下的電壓響應比較。(c) 循環固定位移下傳感器的電壓輸出。(d) 傳感器對彎曲方向變化的電壓響應。(e) 傳感器在各種彎曲變形下的重復信號變化。(f) 傳感器的電壓變化作為應變的函數。(g) 階躍彎曲應變下傳感器的電壓響應。(h) 傳感器在不同彎曲頻率下的電壓響應。(i) 傳感器在 13,000 彎曲秒內的工作穩定性。
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圖4. 壓電傳感器的人體運動檢測。(a) 監測不同方向手腕彎曲的傳感器的傳感信號。(b)用于檢測頸部、(c)肘部和(d)膝蓋的運動的傳感器的感測信號。
圖5. 用于心肺復蘇訓練和信息傳輸的自供電壓電傳感器。(a) CPR 標準胸部按壓姿勢示意圖。(b) 不同壓縮深度（1 cm、3 cm 和 5 cm）下傳感器的電壓響應。(c) 標準胸外按壓姿勢（5 cm）時傳感器的輸出電壓-時間曲線。(d) 電壓信號對應于完整的胸部按壓操作。（e）隨著不同彎曲程度的手指移動以記錄摩爾斯電碼中的點和劃，傳感器的電壓響應。(f) 演示生成莫爾斯電碼“HELLO”。
相關科研成果由合肥工業大學Ying Hu，中山大學第一附屬醫院Zhihao Liu等人于2024年發表在Chemical Engineering Journal（https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.148988）上。原文：A MXene heterostructure-based piezoionic sensor for wearable sensing applications
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.148988
轉自《石墨烯研究》公眾號
