最近，基于 MXene 的可穿戴水凝膠因其類似組織的柔軟性和獨特的電氣和機械性能而成為表皮傳感器的有前途的候選者。然而，實現(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)，因為 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，從而導致快速自愈和優(yōu)異的應變傳感行為。疏水兒茶酚基團與 MXene 表面的充分相互作用減少了 MXene 中與水反應的氧化可及位點，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時運動監(jiān)測的應變傳感器，例如檢測細微的人體運動和筆跡。PVA-CA-MXene 水凝膠傳感器的信號可以使用深度學習模型進行準確分類。
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% 應變下的相對電阻變化。h) PVA-CA-MXene 水凝膠在 50%–400% 應變下的相對電阻變化。i) PVA-CA-MXene 水凝膠在 150% 應變下的耐久性。
Fig 6. a）附著在手指上用于監(jiān)測彎曲運動的 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) 傳感器電阻響應寫在其表面的 K、N、U 和 T 字母的變化。f) 當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。
相關研究工作由仁荷大學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。
轉自《石墨烯研究》公眾號
