InfoMat: 基于聚苯胺/MXene纳米复合材料的高性能柔性传感器件

柔性传感器件作为可穿戴电子器件的基础,已经成为推动社会生活变革最重要的角色之一,在机器人、人工义肢、医疗检测和诊断等方面展现出广阔的应用前景,为材料、电子、物理、化学、生物、医学和制造技术等领域带来全新的机遇。在众多传感器中,柔性气体传感器不仅在监测大气污染物等方面有普遍的应用,在医学、生物学、日常生活等方面也有不可替代的作用,开发室温下高性能柔性气体传感器就成为目前亟待解决的问题。而敏感材料是柔性气体传感器的重要构成部分之一,对气体传感器的柔性,气敏响应性能和机械稳定性都有重要的作用。

吉林大学韩炜教授课题组与王丽丽副教授课题组合成出新型高活性PANI/Ti3C2Tx纳米复合材料,以复合纳米材料为基础,制备出室温下对乙醇气体具有高选择敏感特性的柔性气体传感器。MXene材料既具有如石墨烯一样的二维层状结构和良好的层内导电导热性质,又具有石墨烯等传统二维材料不具备的表面结构和组成的可调控特性,在能源存储、信息传感等领域受到了广泛关注。然而,尽管MXene具有高金属导电性和多功能的表面化学性质,显示了其气体传感器中的巨大潜力,但构建室温下仍然具有高性能敏感特性的功能材料仍然具有挑战。在本文中,作者在MXene材料体系中引入高活性的聚苯胺纳米颗粒,对提高材料的电子和催化性能具有重要意义。由于纳米复合材料的协同性能和Ti3C2Tx的高催化/吸附能力,PANI纳米颗粒通过低温原位聚合的方式在Ti3C2Tx纳米片表面合理修饰,在室温条件下具有高检测灵敏度、快速响应/回复速度以及良好的机械稳定性。此外,基于异质复合结构的柔性器件在室温30-120°弯曲角下依然表现出良好的力学及电学稳定性。进一步地,作者也通过密度泛函理论(DFT)计算,在原理上证明了MXene材料的OH基团具有很高的催化和吸附能,更有利于乙醇气体吸附。这一研究通过理论与实验的相互验证对研制高性能室温气体传感器提供了一种新思路。该工作发表在InfoMat.(DOI: 10.1002/inf2.12032)上。