人類依靠離子傳輸來(lái)感知和處理觸覺(jué)信息。壓電傳感器可以通過(guò)類似的離子遷移直接將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，在可穿戴傳感中展現(xiàn)出應(yīng)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(wěn)定性差限制了其發(fā)展。在這里，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種基于 MXene/Ag納米粒子異質(zhì)結(jié)構(gòu)電極的壓電傳感器，具有穩(wěn)定的高性能電壓輸出。在離子介導(dǎo)的機(jī)電轉(zhuǎn)換過(guò)程中，電極中的層狀 MXene納米片為可移動(dòng)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(chǔ)和傳輸。在 0.7% 應(yīng)變的彎曲變形下，傳感器輸出 11.1 mV 電壓。循環(huán)變形下電壓可保持穩(wěn)定約13000s。基于良好的機(jī)電轉(zhuǎn)換，該傳感器可用于監(jiān)測(cè)人體活動(dòng)。還證明了該傳感器指導(dǎo)高質(zhì)量心肺復(fù)蘇（CPR）訓(xùn)練的可行性。而且，它可以粘附在手指上，通過(guò)手指有節(jié)奏地彎曲來(lái)產(chǎn)生脈沖或方波電信號(hào)，從而基于莫爾斯電碼的編碼原理來(lái)傳輸信息。這些結(jié)果表明自供電壓電傳感器在醫(yī)療康復(fù)和人機(jī)交互方面的潛力。
圖1. 壓電離子傳感器的傳感機(jī)理及制備方法。(a)基于精確離子傳輸?shù)娜梭w皮膚感受器觸覺(jué)感知機(jī)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(jī)制。(c) MXene/Ag異質(zhì)結(jié)構(gòu)電極的制備過(guò)程示意圖。(d) 基于 MXene/Ag 電極的壓電離子傳感器的制造過(guò)程示意圖。
圖2. 壓電離子傳感器的形態(tài)特征。(a) 基于 MXene/Ag 電極的壓電離子傳感器的光學(xué)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(jié)構(gòu)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(cè)試。
圖3. 壓電傳感器的傳感性能。(a) 傳感器響應(yīng)所施加的彎曲應(yīng)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(yīng)變下的電壓響應(yīng)比較。(c) 循環(huán)固定位移下傳感器的電壓輸出。(d) 傳感器對(duì)彎曲方向變化的電壓響應(yīng)。(e) 傳感器在各種彎曲變形下的重復(fù)信號(hào)變化。(f) 傳感器的電壓變化作為應(yīng)變的函數(shù)。(g) 階躍彎曲應(yīng)變下傳感器的電壓響應(yīng)。(h) 傳感器在不同彎曲頻率下的電壓響應(yīng)。(i) 傳感器在 13,000 彎曲秒內(nèi)的工作穩(wěn)定性。
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圖4. 壓電傳感器的人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)。(a) 監(jiān)測(cè)不同方向手腕彎曲的傳感器的傳感信號(hào)。(b)用于檢測(cè)頸部、(c)肘部和(d)膝蓋的運(yùn)動(dòng)的傳感器的感測(cè)信號(hào)。
圖5. 用于心肺復(fù)蘇訓(xùn)練和信息傳輸?shù)淖怨╇妷弘妭鞲衅鳌?a) CPR 標(biāo)準(zhǔn)胸部按壓姿勢(shì)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(yīng)。(c) 標(biāo)準(zhǔn)胸外按壓姿勢(shì)（5 cm）時(shí)傳感器的輸出電壓-時(shí)間曲線。(d) 電壓信號(hào)對(duì)應(yīng)于完整的胸部按壓操作。（e）隨著不同彎曲程度的手指移動(dòng)以記錄摩爾斯電碼中的點(diǎn)和劃，傳感器的電壓響應(yīng)。(f) 演示生成莫爾斯電碼“HELLO”。
相關(guān)科研成果由合肥工業(yè)大學(xué)Ying Hu，中山大學(xué)第一附屬醫(yī)院Zhihao Liu等人于2024年發(fā)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(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
