背景简介

研制具有高灵敏度、能在极端环境下工作的传感器，是特定智能技术发展的迫切需要。具有高电导率的大面积MXene层被广泛用于组装高性能的传感薄膜。然而，大的重叠MXene层之间的间隙将降低机械性能并加速层与空气/水的氧化。在此，我们提出了一种共价插层的MXene基复合传感膜，其提供了高拉伸强度和抑制的空气/水渗透，这是通过将小的石墨烯层与大的MXene层共价互连，然后使用3-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷（PGPTMS）交联来实现的。因此，使用这种强抗氧化传感材料的传感器即使在极端条件下（200°C和100%相对湿度），也能以1728kPa−1的高灵敏度识别出具有特征的微弱声音信号（<0.27Pa）。以上研究为构建高灵敏度、环境适应性强的传感器提供了一种可靠的界面工程方法。

成果简介

本论文中，我们利用共价插层的策略，建立了一种高性能、高稳定性的MXene基复合材料薄膜，以做为在极端环境下的声传感器。首先，以大的MXene层作为支撑骨架结构，将小的氧化石墨烯（GO）层插入MXene的层间空间中，同时通过Ti-O-C键合共价交联MXene（图1a）。第二，使用二氧化硅交联剂进行二次共价Ti-O-Si键合，并通过简单的退火来还原GO，将高机械和导电性结合在一起。所合成的宏观功能MXene基复合材料不仅具有高的机械和导电性，而且还具有优异的抗氧化性。由于共价嵌入诱导的致密结构可以有效地抑制氧和水渗透到MXene薄膜中的间隙中，因此证明了高度改善的抗氧化性，并且在200°C和100%相对湿度下保持了高电导率。 因此，组装的声压传感器显示出对弱声压（<0.27Pa）的高灵敏度（1728kPa−1）和在高温（200℃）和高湿度下的长循环稳定性。

全文导读

图1. MXene/rGO-PGPTMS膜中的层间键合。(a)MXene/rGO-PGPTMS膜中化学界面桥连的示意图。(b)折叠MXene/rGO-PGPTMS膜的照片。(c)GO插层MXene层裂AFM图像 (d)MXene/rGO-PGPTMS film的横截面SEM图像和(e)Ti、Si、C和O的相应元素分布。(f)MXene、GO和MXene/GO膜的紫外-可见吸收光谱。(g)X射线衍射图。(h)C 1s谱的XPS。(i)Ti 2p的XPS谱证实了Ti-O-C和Ti-O-Si共价键的形成。

图2. MXene/rGO-PTMS膜的力学性能和抗氧化性能表征。(a)不同GO比例的MXene/GO复合材料薄膜的典型拉伸应力-应变曲线。(b)所研究MXene/rGO-PGPTMS film的典型拉伸应力-应变曲线。(c)纯MXene、MXene/rGO-PGPTMS的TGA和DSC曲线在空气气氛中使用10K min−1的加热速率进行测试。(d)TGA曲线在160℃之前的局部放大。MXene和MXene/rGO-PGPTMS膜在(e)100%相对湿度的潮湿空气中储存15天和（f）100%相对湿度的200℃的高温和高湿环境中储存18小时的条件下的电导率保留百分比随时间的变化。(g)MXene和(h)MXene/rGO-PGPTMS在200℃和100%相对湿度的空气中处理0、10、20和30小时之前和之后的拉曼光谱。(i)MXene和MXene/rGO-PGPTMS膜在100℃和200℃恒温热板上的IR照片。

图3. 使用MXene/rGO-PGPTMS薄膜声音探测器进行压力传感测试。(a)MXene/rGO-PGPTMS薄膜在声振动期间的压力传感模型示意图。(b)MXene/rGO-PGPTMS薄膜传感器的灵敏度曲线。(c)频率响应曲线。(d)100和101Hz频率差异。(e)频率I-T曲线。(f)反应/恢复时间曲线。(g)最小压力检测极限。(h)在200Hz下500次声振动循环期间的稳定性性能。

图4. 通过MXene/rGO-PTPMS薄膜声音检测器进行声景和生理检测和区分。(a)声音信号感知实验装置示意图。(b)汉语“你”“你好”四遍读的波形及两种“你”波形的比较。(c)英语单词和汉字的识别。(d)动物声音记录的辨别。(e)认可的语气。(f)声音响度的识别。(g)识别的声速。(h)在安静和嘈杂环境中收集的汉语句子的语音信号波形的比较。(i)六个志愿者音色识别。(j)按压、吹气、敲击、脉动等声音识别。

图5. MXene/rGO-PGPTMS薄膜声音探测器在极端条件下的操作。(a)在高湿度和高热环境（200℃，100%相对湿度）下进行声学试验。(b)频响曲线。(c)频率差异。(d)MXene/rGO-PGPTMS膜传感器的灵敏度曲线。(e)自行车性能。

总结

提出了一种共价插层策略来构建高性能的基于MXene的复合膜传感器。制备这种MXene基复合膜的关键是将1）插入小的石墨烯片和层间通过Ti-O-C键共价桥接以有效消除MXene片之间的空隙的优点和2）通过与PGPTMS的Ti-O-Si键合来增强界面相互作用同时3）保持片的高度排列的优点结合在一起。所得薄膜的力学性能和抗氧化性能得到了显著改善。将该复合膜用于声传感，结果表明，该传感膜具有灵敏度高、检测限低、响应谱宽等优点。在语音交互和健康检测中，该传感装置具有良好的语音和生理信号识别性能。同时，该传感器件在极高温高湿环境下的声探测中表现出良好的性能。通过减小层间间隙，增加层间相互作用，提高敏感薄膜的力学性能和抗氧化性能，探索在极端工作条件下的高灵敏度柔性薄膜，是一个重要的设计思路。

论文链接

Xiaohui Sun , Xuelei Gong , Shuhao Fan , Yongxu Liu , Huiyu Yu , Fanteng Meng , Debin Kong , Junwei Han , Linjie Zhi

Covalently intercalated MXene/graphene composite fflm enables ultrasensitive acoustic sensors under extreme conditions

Carbon 2025

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2025.120861