最近，基于 MXene 的可穿戴水凝膠因其類似組織的柔軟性和獨(dú)特的電氣和機(jī)械性能而成為表皮傳感器的有前途的候選者。然而，實(shí)現(xiàn)具有可靠傳感性能和延長使用壽命的基于 MXene 的水凝膠仍然是一個挑戰(zhàn)，因?yàn)?MXene 不可避免地在水凝膠的含水系統(tǒng)中氧化。在此，提出了兒茶酚功能化聚（乙烯醇）（PVA-CA）基水凝膠來抑制 MXene 的氧化，從而導(dǎo)致快速自愈和優(yōu)異的應(yīng)變傳感行為。疏水兒茶酚基團(tuán)與 MXene 表面的充分相互作用減少了 MXene 中與水反應(yīng)的氧化可及位點(diǎn)，并最終抑制了 MXene 在水凝膠中的氧化。此外，PVA-CA-MXene 水凝膠被證明可用作實(shí)時運(yùn)動監(jiān)測的應(yīng)變傳感器，例如檢測細(xì)微的人體運(yùn)動和筆跡。PVA-CA-MXene 水凝膠傳感器的信號可以使用深度學(xué)習(xí)模型進(jìn)行準(zhǔn)確分類。
Fig 1. a) PVA-CA的合成過程。b) 鄰苯二酚濃度分別為 3、7.5、15 和 20 wt.% 的合成 PVA-CA 聚合物的數(shù)碼照片。c) 顯示添加硼酸鹽后 PVA-CA 聚合物溶液凝膠化的數(shù)碼照片。
Fig 2. a) SEM 和 b) Ti3C2Tx MXene 的 TEM 圖像；b) 中的插圖是 MXene 納米片的 SAED 圖案。c) Ti3AlC2 MAX 和 Ti3C2Tx MXene 的 XRD 光譜。d) Ti3C2Tx MXene的 AFM 圖像和 AFM 圖像中顯示的所選線的高度剖面。e) Ti 2p 和 f) O 1s 區(qū)域中Ti3C2Tx MXene的 XPS 光譜。
Fig 3. a） PVA-CA/MXene水凝膠制備示意圖。b） MXene和PVA-CA/MXene的C1s XPS光譜。c） PVA-CA/MXene水凝膠在冷凍干燥過程之前（上圖）和之后（下圖）的數(shù)碼照片。d、 e）凍干PVA-CA/MXene水凝膠的FESEM圖像。
Fig 4.a）PVA/MXene和b）PVA-CA/MXene在室溫下儲存30天后的TEM圖像。c）PVA/MXene和d）PVA-CA/MXene溶液在室溫下儲存60天期間的UV-vis吸收光譜。e） 數(shù)碼照片顯示了原始MXene、PVA/MXene和PVA-CA/MXene溶液與H2O2反應(yīng)5天的過程。數(shù)字圖像顯示了f）水和g）H2O2對PVA/MXene和PVA-CA/MXene水凝膠的相互作用效果。
Fig 5. a) 顯示 PVA-CA-MXene 水凝膠自我修復(fù)特性的數(shù)碼照片。b）通過使用 PVA-CA-MXene 水凝膠作為電池（18 V）和 LED 指示燈之間的連接器進(jìn)行自愈能力測試。c) 水凝膠在幾個分叉和自愈循環(huán)中的實(shí)時阻力，以及 d) 愈合過程的時間演化。e) 示意圖描繪了 PVA-CA-MXene 水凝膠電極的拉伸測試。f) 顯示 PVA-CA-MXene 水凝膠電極進(jìn)行拉伸測試的照片。g）PVA-MXene 和 PVA-CA-MXene 水凝膠分別在 200% 和 50-200% 應(yīng)變下的相對電阻變化。h) PVA-CA-MXene 水凝膠在 50%–400% 應(yīng)變下的相對電阻變化。i) PVA-CA-MXene 水凝膠在 150% 應(yīng)變下的耐久性。
Fig 6. a）附著在手指上用于監(jiān)測彎曲運(yùn)動的 PVA-CA-MXene 水凝膠傳感器的照片。b) 手指緩慢和 c) 快速彎曲到不同角度期間傳感器電阻的相對變化。d) 監(jiān)測發(fā)音“MXene”和“Hydrogel”動作過程中的喉部振動。e) 傳感器電阻響應(yīng)寫在其表面的 K、N、U 和 T 字母的變化。f) 當(dāng)兩個不同的人在其表面上寫下“MXENE”一詞時，水凝膠傳感器信號模式的變化。
相關(guān)研究工作由仁荷大學(xué)Soo-Jin Park課題組于2023年在線發(fā)表于《Advanced Functional Materials》期刊上，原文：Highly Oxidation-Resistant and Self-Healable MXene-Based Hydrogels for Wearable Strain Sensor。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
