【摘 要】
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MXene是一种新型二维过渡金属碳/氮化物,具有大比表面积、优异的电学、力学性能以及良好的亲水性和溶液加工性,为新型传感材料的开发提供了希望。但是,目前所报道的基于MXene的气体传感和应变传感材料普遍存在灵敏度偏低、检测限较高等问题。本研究结合静电纺丝和组装技术,构建了MXene基三维纤维网络和可拉伸纤维毡,并将其用于气体传感或柔性应变传感研究。通过合理的结构设计和优化,显著地提高了MXene基
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MXene是一种新型二维过渡金属碳/氮化物,具有大比表面积、优异的电学、力学性能以及良好的亲水性和溶液加工性,为新型传感材料的开发提供了希望。但是,目前所报道的基于MXene的气体传感和应变传感材料普遍存在灵敏度偏低、检测限较高等问题。本研究结合静电纺丝和组装技术,构建了MXene基三维纤维网络和可拉伸纤维毡,并将其用于气体传感或柔性应变传感研究。通过合理的结构设计和优化,显著地提高了MXene基传感材料的综合传感性能。通过对MXene组装复合材料的微观结构表征和传感性能测试,我们系统地研究了传感层结构对传感性能的影响。论文的主要研究内容及结果如下:(1)通过静电纺丝技术制备了带正电荷的聚合物三维(3D)纤维网络。带负电荷的MXene纳米片可通过氢键和静电作用自组装到聚合物纤维表面,形成导电的3D MXene网络(3D-M)。该3D-M具有高度互连的多孔结构,有利于气体分子的进入和扩散。同时,自组装获得的超薄MXene层可有效地将其表面的活性吸附位点暴露,有利于气体分子的吸附。基于该3D-M的气体传感器对多种挥发性有机化合物(VOC s)包括丙酮、甲醇和乙醇等,具有较高的灵敏度(0.1-0.17 ppm-1),低检测限(50 p pb),宽传感范围(从ppb浓度至饱和蒸气),良好的柔性(在弯折1000次后信号没有降低)。同时,该传感器可在室温下工作,在可穿戴VOCs气体传感器方面表现出巨大的潜力。(2)我们采用静电纺丝技术制备了可自支撑的聚氨酯纤维毡(PF毡),该纤维毡具有良好的柔性和弹性。MXene纳米片分散液可渗透到纤维毡内部修饰于纤维表面,获得具有良好拉伸性能和导电性的MXene/PF毡(M/PF毡)。M/PF毡内部相邻的M Xene纳米片在应变下会发生相对滑动,引起显著的电学响应;另一方面,纤维毡的网络多孔结构能够预存形变从而拓宽传感范围。该M/PF毡具有优异的综合应变传感性能,包括高灵敏度(应变系数达到227),低的检测限(0.1%),可调节的宽传感范围(高达150%),良好的循环稳定性(循环3200次保持性能稳定)以及多功能性,可用于检测各种不同的应变如横向拉伸形变、垂直压力、弯曲和微弱振动等。基于以上优越的性能,M/PF毡应变传感器可以探测各种人体运动信号和微小的生理信号(如发声和脉搏跳动),表现出良好的实际应用潜力。
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