近日，仲恺农业工程学院覃儒展博士联合北京航空航天大学/香港城市大学单光存教授在材料类顶级期刊《先进材料》发表长篇综述，从类型、原理、材料、结构、优化策略和应用等方面全面总结MXene基柔性传感器的最新进展。
MXene是一种具有二维层状结构的过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物。2011年，美国德雷塞尔大学的一个研究小组在《先进材料》杂志上首次报道了这一情况。随后，随着MXene合成方法的不断探索，其种类和数量不断扩大，逐渐受到许多研究领域的关注。对于柔性压力传感器领域，MXene的特殊结构和性能使其比传统传感器中使用的金属或半导体活性材料更具优势。尽管金属或半导体具有高导电性，但其固有的材料刚性限制了其灵敏度。MXene的手风琴状层状结构不仅提供了良好的导电性，而且在压力下改变了层间间距，这可以驱动材料本身导电性的变化，从而表现出优异的压阻灵敏度。此外，MXene在制备过程中可以方便地调节表面终止基团和微观结构，使其易于获得独特的微观结构和性能，从而在柔性压力传感器中具有巨大的潜在价值。
然而，基于MXene的柔性传感传感器距离大规模商业应用仍有一定距离。主要障碍可分为两部分：（1）如何获得高稳定性的MXene压敏材料，提高柔性压敏器件的使用寿命；（2） 如何设计一种具有高线性、高分辨率、宽传感范围和高灵敏度的稳定柔性压力传感器仍然是一个挑战。提高MXene作为敏感材料的长期稳定性对商业可行性具有决定性意义。尽管已经发表了一些关于基于MXene的柔性压力传感器的综述，但大多数综述都集中在应用方面。缺乏对MXene基柔性压力传感器的类型、原理、材料选择、结构设计、制备策略和分类应用的全面分析。
全文为七个部分：
文章第一部分介绍了MXene基柔性压力传感器的发展历程，分析和总结近年来发表的MXene基传感器的研究进展以及本文的框架结构, 如图1所示。
图1. 近年发表的MXene基压力传感器的论文数量以及文章的框架结构
文章的第二部分简要介绍了MXene基传感器的传感类型，为高性能柔性压力传感器的设计提供了理论依据。这部分不仅比较了不同类型传感器的优缺点，还总结了不同类型的传感器的工作原理。在此基础上，详细介绍了压阻传感的类型（接触效应、渗流理论、隧道效应、断裂裂纹效应和半导体压阻效应）和电容传感的类型。还讨论了压电效应和摩擦效应的传感类型。如图2所示。
图2. 基于MXene的柔性压力传感器的传感机制示意图。（a） 压阻式，（b）电容式，（c）压电式，（d）摩擦电式
文章第三部分详细介绍了MXene基柔性压力传感器材料的选择和混合。从纯MXene材料、混合材料和可降解材料三个方面介绍了材料选择对提高传感器性能的影响。首先，我们比较了MXene和传统2D材料之间的差异，并解释了为什么MXene材料更适合传感器应用。重点是MXene与其他材料混合的应用，以提高柔性压力传感器的性能。例如：（i）复合材料；二纸基材料；（iii）纤维材料；（iv）泡沫材料；（v） 海绵和棉花材料；（vi）织物材料；（vii）气凝胶材料；（viii）水凝胶材料。还讨论了其他一些凝胶材料。如图3-9所示。
图3 基于纯MXene材料和复合材料的柔性压力传感器。（a） 基于微通道受限纯MXene的柔性压阻式多功能微力传感器，（b） TeNWs/Ti3C2Tx纳米混合压力传感器传感机理示意图，（c）基于MXene@N-doped碳膜的压力传感器制备示意图，（d） 基于MX/rGO/P（VDF-TrFE）薄膜的压力传感器制造示意图
图4 基于MXene/纸材料和MXene/纤维材料的柔性压力传感器。（a）基于纸张的可穿戴压力传感器的制备过程示意图，（b）MXene/BF复合纸的制备示意图，（c）基于MTPF的传感器制备示意图，（d）MXene/ZIF-67/PAN薄膜的制备及传感器器件结构，（e） Ti3C2Tx/BC薄膜制备示意图
图5 基于MXene/泡沫材料的柔性压力传感器，（a）PMB压力传感器的准备示意图，（b）高度有序的PAM-Cu导电泡沫的组装过程示意图，（c）导电MPMF的制备和传感机制示意图，（d）基于MXene/PANI泡沫的传感器的制备图
图6 基于MXene/棉材料的柔性压力传感器。（a）基于CMPP海绵的传感器制备示意图，（b）基于MXene海藻酸钠海绵（SMSS）的压力传感器的制造示意图，（c）基于MCF的压力传感器的制造示意图，（d）MXene/SiNPs棉织物的制作示意图
图7 基于MXene/织物材料的柔性压力传感器。（a）基于 WF@MFS材料的压力传感器制备示意图，（b）基于MXene/纺织品传感器的制造示意图，（c）基于MXene@织物柔性压力传感器的制备过程示意图，（d）基于树皮状MXene/纺织品织物的压力传感器的制备示意图
图8 基于MXene/气凝胶材料的柔性压力传感器。（a）MXene基气凝胶制备过程示意图，（b）基于PPy@PBM气凝胶的制备示意图，（c）基于CS/MXene气凝胶的制备示意图，（d） ANF气凝胶膜（AAF）和MAAF传感器的结构设计
图9 基于MXene/水凝胶材料的柔性压力传感器。（a）MXene纳米片和M-OH的制备过程示意图，（b）PSM有机水凝胶制备过程示意图
文章第四部分介绍了基于MXene的传感器的结构设计，以提高其性能。存在对器件的性能有显著影响的各种微观结构设计。介绍了一维结构、二维结构和三维结构的设计。主要包括多孔结构设计、分层结构设计、蜂窝结构设计、螺旋结构设计、折叠结构设计、竖向排列结构设计等。如图10-14所示。
图10 具有层状结构和仿生微观结构的柔性压力传感器。（a）基于MXene/Ag纳米花膜的柔性压力传感器的逐层组装示意图，（b）基于ZIF-67@MXene的柔性压力传感器的制备示意图，（c）基于RGO/MXene的压力传感器的制造示意图，（d）基于MXene/PPNs/MXene/TPEM的压力传感器制备过程示意图
图11 具有分级微电网结构的柔性压力传感器。（a）基于SMPCN膜的传感器的制备示意图，（b）基于金字塔状MXene薄膜的柔性压力传感器的制备过程，（c）基于褶皱结构MXene膜的柔性超灵敏压力传感器的制备示意图，（d）海胆状微结构扁丝茧压力传感器的制备示意图
图12具有泡沫、海绵和棉花三维结构的柔性压力传感器。（a）基于AgNps@Mxene@PEDT:PSS泡沫压力传感器制备示意图,（b）基于MXene/PANI复合海绵的压力传感器制备示意图，（c）基于MXene@PU压阻式传感器的制备示意图，（d）MXene油墨和层状多孔MXene植物纤维海绵的制备过程
图13具有气凝胶三维结构的柔性压力传感器。（a）FCMA气凝胶的制备过程示意图,（b）GPM气凝胶的合成过程示意图,（c）基于F-MXene@C-CNTs/CCS 气凝胶制备示意图,（d）基于纳米纤维增强MXene还原氧化石墨烯（rGO）气凝胶(aPANFs/MX–rGA)的制备示意图
图14 具有其它材料三维结构的柔性压力传感器。（a）3D多孔MFNS示意图，（b）衍生自W/ILs-Pickering乳液的MXene基多孔材料的制备示意图,（c）多孔褶皱MXene球体的合成方案和可降解MXene压力传感器的制备示意图，（d）独立三维MXene PDMS支架的制备过程
文章第五部分介绍了MXene基传感器的制备策略。不同的制备策略对传感器的不同应用场景、大规模生产和小型化有着显著的影响，尤其是在一些特殊应用中。不同的准备策略也会对传感器的性能产生影响。介绍了激光烧蚀、真空过滤、3D打印、丝网印刷、静电纺丝、冷冻干燥、旋涂和滴涂、发泡技术和自然仿生吸气策略等辅助方法。如图15-22所示。
图15 采用激光辅助制备的柔性压力传感器。（a）激光消融策略用于制备柔性压力传感器叉指电极和电路,（b）用于制备MXene基传感阵列的4×4像素电极阵列的激光制造示意图,（c）基于MXene有机水凝胶8×8像素阵列的制作示意图
图16带有真空过滤辅助制备的柔性压力传感器。（a）微结构电容式压力传感器的制作工艺，（b）层状MXene/ANF复合传感器的制备过程
图17具有丝网印刷辅助准备功能的柔性压力传感器。（a）使用丝网印刷技术制备的传感器的叉指电极的示意图,（b）层状MXene/ANF复合传感器的制备过程
图18 具有静电纺丝辅助制备的柔性压力传感器。（a）电纺纳米纤维膜的制备工艺，（b）基于MXene/PVP复合纳米纤维膜的压力传感器静电纺丝工艺示意图，（c）通过静电纺丝工艺制备基于CNS的传感器的示意图，（d）基于INM的电容式压力传感器原理图
图19冷冻干燥辅助制备的柔性压力传感器。（a）使用单向冷冻技术制备各向异性PVDF/MXene复合器件的示意图，（b）冷冻干燥辅助沉积技术制备MXene/PANI复合海绵，（c）利用冷冻干燥技术制备压阻式MGP海绵和MGP海绵传感器的过程示意图，（d）利用冷冻干燥技术制备CCF/MXene复合气凝胶的示意图
图20具有浸渍涂层和浸渍干燥辅助制备的柔性压力传感器。（a）采用浸涂技术制备MXene/无纺布电极和IG/无纺布电解质的工艺，（b） 采用浸涂法制备MX/rGO的工艺
图21采用发泡技术辅助制备的柔性压力传感器。（a）使用气体发泡技术制造基于MXene气凝胶/rGO的压力传感器器件的工艺示意图，（b）采用气体发泡技术和多功能MXene气凝胶柔性压力传感器的制备工艺，制备了三维MXene气相凝胶
图22 受自然仿生吸气启发制备柔性压力传感器。（a-b）受人类皮肤组织结构和力感知过程的启发，制备柔性压力传感器，（c）受蜘蛛狭缝器官的微裂纹结构和变色龙的机械变色机制的启发，设计了一种柔性光电皮肤（OE皮肤），（d）受荷叶智能生物结构的启发，开发出一种灵活、透气、防水、自清洁的触觉传感器
文章第六部分介绍了MXene传感器的分类应用。包括医疗健康监测、运动健身、坐姿监测、手势识别、柔性机器人、电子皮肤、压力分布图、智能盲文识别和语音识别等。还介绍了MXene柔性压力传感器在一些特殊领域和场景中的应用。如图23-27所示。
图23用于医疗健康监测的MXene-based柔性压力传感器。（a）压阻BBP-MX-AG传感器的应用，用于检测人类颈部颈中动脉（CA）和颈内静脉（IJV）中的微弱压力信号,（b）无线MTPF传感设备的构建及其在人体健康监测中的应用
图24基于MXene的灵活压力传感器，适用于运动和健身。（a）可穿戴超疏水PPy/MXene压力传感器的应用，用于检测一系列人类运动，包括手指运动、手腕弯曲、肘部运动、手腕扭曲、行走和跳跃,（b）CNF/CNT/MXene气凝胶传感器用于演示人类行为监测应用，包括肘部摆动、手腕弯曲、正常工作和手指触摸的电流信号,（c）连接到不同部位的SMPCN膜传感器监测人体运动，包括吹脸颊、点头、脉搏振动、手指弯曲以及行走和跳跃
图25基于MXene的柔性压力传感器，用于绘制压力分布图。（a）组装后的4×4像素柔性传感器阵列及其压力分布示意图,（b） 放置在电子皮肤传感器阵列上的笔、扳手和胶带的数字图像，以及相应的压力分布
图26用于语音识别的基于MXene的柔性压力传感器。（a）声波冲击压力传感器的声信号检测,（b）使用MXene/BC薄膜声音传感器采集和识别人声信号
图27用于手势识别和坐姿监测的基于MXene的柔性压力传感器。（a）可穿戴手势识别设备系统示意图，包括智能手套上五个压力传感器的阻力响应监测和手势识别的人机交互界面,（b）通过MMC压力传感器阵列监测坐姿
文章第七部分讨论了MXene基材料在改善和提高柔性压力传感器性能方面的主要问题、机遇和挑战。目前，基于MXene的柔性压力传感器的主要问题如下：
1）MXene是传感器敏感层的主要材料，合成方法通常使用氟化试剂或高温高压的制备条件，对人体健康和环境造成一定危害。特别是MXene的大规模生产可能会对环境生态产生影响。
2）MXene材料的稳定性需要更多的关注和研究。稳定性对传感器至关重要，因为它确保了在不断变化的环境中可重复和可靠地使用，尤其是在长期监测中。MXene材料在高温或潮湿的环境条件下容易氧化和降解，这对传感器的长期稳定性和有效性极为不利。
3）基于MXene的柔性压力传感器的综合传感性能不够理想。与其他更成熟的复合材料相比，MXene基柔性压力传感器目前的性能还不够好，这将阻碍MXene基传感器的广泛应用。
4）目前，基于MXene的柔性压力传感器的分辨率并不高，关注MXene的压力传感器分辨率的报道很少。然而，分辨率的高低直接影响测量的准确性。分辨率越高，就可以实现越精确的测量。
5）目前，基于MXene的压力传感研究通常基于材料和结构的设计，较少强调从传感机理上调整压力传感的性能。传感构型的研发是器件开发的核心内容，这取决于器件的整体结构设计。研究压力传感器的新型传感机理或复合传感机理，对柔性压力传感器的更好发展具有重要意义。
6) 目前，基于MXene的自供电压力传感器也已开发出来，但存在一些集成和稳定性问题。小型化的自供电设备将成为一种广泛的研究趋势。因此，小型化或集成化的自供电压力传感器将受到更多关注，尤其是基于芯片的智能柔性压力传感器。
7) 在实际应用方面。为了满足广泛的可穿戴应用，还需要考虑基于MXene的传感器的透气性、生物相容性、防水性和自修复性能。
从以上分析可以看出，基于MXene的柔性压力传感器距离大规模商业应用还有一定距离。基于MXene的柔性压力传感器的应用演示主要用作概念验证演示。主要问题是传感设备的稳定性以及高性能和宽传感范围之间的权衡，以及其他一些问题。尽管仍然存在许多问题和挑战，但这也给我们带来了更多的机遇。
总之，文章从类型、原理、材料、结构、优化策略和应用等方面综述了MXene基柔性压力传感器的最新进展。尽管基于MXene的柔性压力传感器在传感机理、材料微观结构设计、材料选择和混合以及性能研究方面取得了许多研究成果，但基于MXene柔性压力传感器的稳定性、高性能和宽传感范围的平衡以及非线性问题仍存在挑战。未来的主要方向是调整MXene的微观结构并选择合适的材料，以获得具有高稳定性、高灵敏度、高分辨率和宽响应范围的柔性压力传感器，从而在医疗健康监测、运动健身、人机交互等领域实现更广泛的实际应用。也可以考虑从电路集成设计、无线技术、自供电、多功能等角度推动传感器小型化、智能化、集成化的发展，扩大柔性压力传感器的应用范围。MXene在柔性压力传感器领域有着非常光明的前景。相信在研究人员的共同努力下，MXene材料将在柔性传感器的应用中展现出巨大的应用价值。
参考文献：
Ruzhan Qin, Juan Nong, Keqiang Wang, Yishen Liu, Songbin Zhou, Mingjun Hu, Hongbin Zhao, Guangcun Shan, Recent Advances in Flexible Pressure Sensors Based on MXene Materials, 2024,2312761.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202312761
