福州大学吴明懋AM：闪蒸焦耳退火超快制备高灵敏度MXene基气凝胶传感器

【背景】

MXene气凝胶以其优良的电性能而闻名，在开发高灵敏度压力传感器方面展现出巨大的潜力。然而，MXene固有的挑战，包括其较差的自组装能力和高亲水性，阻碍了气凝胶制备过程中MXene基水凝胶的自然干燥，从而限制了其在传感器领域的大规模应用。

【工作介绍】

近日，福州大学吴明懋副教授、福建师范大学卢至行副教授团队提出了一种石墨烯增强MXene水凝胶（SGMH）的创新处理方式，该水凝胶具有3D球形大孔结构，旨在通过一种精心设计的预冻技术调节MXene的疏水性并增强框架强度。这种协同策略不仅使得能够在各种尺寸规模上制造自然干燥的MXene气凝胶（SGMA），而且通过整合3D球形大孔结构，提高了气凝胶的弹性和电响应性。通过这种方法成功地制备了具有优异机械性能和电导率的MXene基气凝胶，并通过激光雕刻技术赋予了气凝胶定制化的功能，如可压缩性、抗拉伸性和风向检测能力，为精确压力检测在可定制传感应用中铺平了有前景的道路。    

该成果以“Evolution of Naturally Dried MXene‐Based Composite Aerogels with Flash Joule Annealing for Large-Scale Production of Highly Sensitive Customized Sensors”为题发表在《Advanced Materials》期刊。

在此研究中，通过焦耳加热技术对SGMA进行快速加热至450℃并保持30秒。这一步骤有助于去除材料中的额外氢和氧成分，修复rGO和MXene片之间的交联缺陷，从而显著提高气凝胶的机械性能和导电性。焦耳加热的快速加热和冷却过程有助于形成更加紧凑和均匀的材料结构。

【图文详情】

图1：SGMA的制备过程示意图。a) SGMA的制备步骤示意图。b) 泡沫化GO/MXene悬浮液的共聚焦显微镜图像。c,d) 不同放大倍数下的SGMA的扫描电子显微镜图像。e) 不同尺寸的SGMA图像。f) 研究人员策略（自然干燥和焦耳退火处理）与常规策略（冷冻干燥和管式炉退火处理）的雷达图比较。g) SGMA、rGO和MXene气凝胶的X射线衍射图谱。h) SGMA、rGO和MXene薄膜的拉曼图谱。i) MXene和SGMA的C 1s XPS图谱。j) MXene和SGMA的Ti 2p XPS图谱。    

图2：SGMH自然干燥过程中的因素研究。a) 不同冷冻方法处理的SGMH在自然干燥前后的图像。b) 使用不同冷冻方法自然干燥后SGMH的体积保持率。c) 不同非离子表面活性剂浓度下SGMH自然干燥前后的图像。d) 不同非离子表面活性剂浓度下SGMH自然干燥后的体积保持率。e) 不同MXene浓度下SGMH自然干燥前后的图像。f) 不同MXene浓度下SGMH自然干燥后的体积保持率。g-j) SGMH在不同条件下的自然干燥图。(g) 反应后冷冻，25 wt% MXene 和 8 mg mL⁻¹ 非离子表面活性剂。(h) 液氮冷冻，25 wt% MXene 和 8 mg mL⁻¹ 非离子表面活性剂。(i) 反应后冷冻，25 wt% MXene 和 20 mg mL⁻¹ 非离子表面活性剂。(j) 反应后冷冻，70 wt% MXene 和 8 mg mL⁻¹ 非离子表面活性剂。    

图3：SGMA的机械性能。a) LGMA25在40%应变下压缩500个循环。b) SGMA25在40%应变下压缩1000个循环。c) 不同骨架结构和MXene浓度的气凝胶的应力保持率。d) 不同骨架结构和MXene浓度的气凝胶的应变保持率。e) SGMA25在高达90%压缩应变下的压缩应力-应变曲线。f) 大尺寸SGMA在压缩和恢复下的图像。    

图4：SGMA和LGMA在压缩过程中的弹性机制。a-d) LGMA在不同压缩状态下的扫描电子显微镜图像，(a) 0%，(b) 20%，(c) 50%，(d) 释放。e-h) SGMA在不同压缩状态下的扫描电子显微镜图像，(e) 0%，(f) 20%，(g) 50%，(h) 释放。i) 通过有限元模拟建立的LGMA的层状微观结构。j-l) 通过模拟分析LGMA压缩过程，(j) 20%，(k) 40%，(l) 50%。m-o) LGMA压缩不同状态下的应力体积分数的有限元模拟，(m) 20%，(n) 40%，(o) 50%。p) 通过有限元模拟建立的SGMA的球形微观结构。q-s) 通过模拟分析SGMA压缩过程，(q) 20%，(r) 40%，(s) 50%。t-v) SGMA压缩不同状态下的应力体积分数的有限元模拟，(t) 20%，(u) 40%，(v) 50%。    

图5：基于SGMA的压力传感器的压阻传感性能和检测应用。a) 不同气凝胶的电导率。b) 不同气凝胶传感器的灵敏度曲线。c) 不同气凝胶传感器在低于300 PAh的压力灵敏度。d) 与其他研究的灵敏度结果比较。e-h) SGMA传感器对放置和移除1×1 cm²纸张的响应，手指敲击，手指弯曲，手腕弯曲。

图6：SGMA用于压缩敏感和拉伸敏感监测应用以及风向检测应用。a) 压缩敏感和拉伸不敏感传感器的示意图。b) 压缩敏感和拉伸不敏感传感器的压缩状态（实线部分）和初始状态（虚线部分）的图表。c) 压缩敏感和拉伸不敏感传感器的拉伸状态（实线部分）和初始状态（虚线部分）的图表。d) 压缩敏感和拉伸不敏感传感器对压力和张力的响应。e) 拉伸敏感和压缩不敏感传感器的示意图。f) 拉伸敏感和压缩不敏感传感器的压缩状态（实线部分）和初始状态（虚线部分）的图表。g) 拉伸敏感和压缩不敏感传感器的拉伸状态（实线部分）和初始状态（虚线部分）的图表。h) 拉伸敏感和压缩不敏感传感器对压力和张力的响应。i) 风向检测装置的示意图。j,k) 风向检测装置对不同风向的响应：(j) 北风，(k) 西北风。    

【结论】

通过采用冷冻方法、强化骨架结构和调整框架表面化学性质的协同策略，本研究成功开发了一种自然干燥法来制备具有3D球形大孔结构的MXene基气凝胶。这些气凝胶在机械性能和电响应上都得到了显著提升，使得基于SGMA的传感器在高灵敏度、低检测限、宽频率响应范围和优异稳定性等方面展现出卓越的性能。此外，SGMA的可扩展性为制造各种定制传感器提供了可能性，如具备可压缩性、抗拉伸性、可伸缩性和风向检测等独特功能。因此，这项工作不仅提出了一种用于大规模生产高度导电气凝胶的可扩展方法，还为这些气凝胶在传感器技术中的应用展示了巨大的潜力和发展前景。

【参考文献】

W. Zhu, Y. Zhuang, J. Weng, Q. Huang, G. Lai, L. Li, M. Chen, K. Xia, Z. Lu, M. Wu, Z. Zou, "Evolution of Naturally Dried MXene‐Based Composite Aerogels with Flash Joule Annealing for Large-Scale Production of Highly Sensitive Customized Sensors," Adv. Mater., 2024, 36, 2407138.

DOI: 10.1002/adma.202407138    

本实验中使用的焦耳加热设备为深圳焦耳智控科技有限公司研发的HTS焦耳超快加热装置。    

深圳焦耳智控科技有限公司主营高温加热、超快热冲击设备的研发、生产，代表产物有HTS焦耳超快加热装置、HTL高温长时加热装置、FJH焦耳闪蒸加热装置。公司致力于实验室（超）高温实验解决方案，目前我公司设备已广泛应用于能源催化材料、电池材料、气凝胶、钙钛矿、石墨烯等二维材料、高熵合金及高熵化合物、陶瓷材料等材料的快速高质量制备。