混合维度组装策略实现的多功能电子织物

研究背景

具有便携性、生物相容性和机械灵活性的可穿戴电子设备在下一代医疗设备中的应用是非常理想的。与主要利用透气性差的聚合物薄膜制造的传统柔性电子设备相比，近年来，能够结合服装的穿着舒适性和软性电子产品的功能的电子纺织品(e-textiles)引起了越来越多的关注。电子纺织品作为人体和周围环境之间的重要媒介，可以实现对外部信息的连续采集，例如压力信号。然而，由于微/纳米结构的缺失和结构设计的不足，大多数基于纺织品的压力传感器的灵敏度较低(1.5-298.4 kPa-1)。为了提高压力传感器的灵敏度，人们在几何微工程设计方面付出了巨大的努力，即球体、半球形微阵列、和多层结构。然而，尽管在基于纺织品的压力传感器方面已经取得了一些有希望的进展，但要同时实现超强的灵敏度和高透气性，仍然是一个关键的挑战。

此外，为了提高电子纺织品的实用性，也迫切需要持续稳定的电源。最近，一些基于摩擦纳米发电机的自供电压力传感器已被报道，因为它们在将生物机械能转化为电能以保证可穿戴传感器的运行方面具有优势。因此，将柔性储能系统(即离子电池、锌空气电池和超级电容器)与压力传感器相结合，是自供电压力传感器的另一种解决方案。虽然柔性鲤离子电池表现出较高的能量密度，但其本身的安全性和高成本限制了其实际应用。柔性锌空气电池具有低成本和环境友好的特点，但电池密封和电极自放电问题限制了其在可穿戴电子设备中的广泛使用。由于超级电容器具有循环寿命长、功率密度高、充放电速度快、可靠性好等关键特性，它们被集成到自供电传感器系统中的潜力已经引起了越来越多的关注。然而，如何设计具有高能量密度的柔性超级电容器以维持自供电纺织传感器系统中压力传感器的连续工作仍然是一个相当大的问题。此外，还需要注意的是，在不影响纺织基材固有特性的情况下开发新的功能，对于构建多功能的体外电子纺织品也是特别必要的。

研究成果

同济大学Wentao Cao教授&安徽工程大学Changlong Li等人提出了一种通过二维MXene纳米片和一维银纳米线(AgNWs) 的简单高效的混合维度组装的多功能电子纺织物。MXene 和AgNWs 的有效互补作用赋予了电子织物卓越的综合性能，包括自供电压力感应、超快焦耳加热和高效电磁干扰 (EMI) 屏蔽通过丝网印刷的 MXene基超级电容器和压力传感器的组装获得的基于纺织品的自供电智能传感器系统是灵活和轻量级的，显示出超高的比电容(2390 mF cm-2)，强大的面积能量密度(119.5 uWh cm-2)，优秀的灵敏度 (474.8 kPa-1) 和低的检测限度 (1 Pa)。此外，相互连接的导电MXene/AgNWs 网络使电子织物具有超快的温度响应 (10.4℃ s-1)和出色的 EMI 屏蔽效果 (66.4 dB)。因此，所提出的混合维度组装设计创造了一种多功能的电子织物，为下一代智能柔性电子产品提供了实用的范例。相关研究以“Versatile Electronic Textile Enabled by a Mixed-Dimensional Assembly Strategy”为题发表在Small期刊上。

研究亮点

1. 提出了一种混合维度的组装策略，使用二维MXene 纳米片和一维AgNWs 作为多功能单元来制造灵活和多功能的电子织物。

2. 系统地研究了智能电子织物的电磁干扰(EMI)屏蔽、焦耳加热和压力感应性能，并表现出优异的性能。

图文导读

Figure 1. Schematic of the versatile MXene/AgNWs-decorated textiles.

Figure 2. Characterization of MXene/AgNWs-decorated textiles.

Figure 3. Electrochemical and piezoresistive performance.

Figure 4. Application of self-powered pressure sensors.

Figure 5. Electrothermal performance of MXene/AgNWs-decorated textiles.

Figure 6. EMI shielding performance of MXene/AgNWs-decorated textiles.

总结与展望

综上所述，作者开发了一种通用的混合维组装策略来设计多功能的电子纺织品。将二维MXene 纳米片和一维AgNWs 的强大组合装饰在无纺布上的策略赋予了智能电子纺织品出色的综合性能，如自供电压力感应、超快焦耳加热和高效 EMI 屏蔽。基于纺织品的自供电压力传感器包含全固态 MXene 基超级电容器和压力传感器阵列，是通过一种可扩展和具有成本效益的丝网印刷方法制作的。灵活的MXene 基超级电容器表现出很高的电容和能量密度分别为2390 mFcm-2和119.5 uWhm-2。自供电的压力传感器具有高灵敏度(474.8 kPa-1)、宽感应范围(0-100 kPa)、快速响应/恢复时间 (140/30 ms) 和低检测极限(1Pa)。此外，MXene 和AgNWs 的互连导电网络使 MAGs 具有超快的温度响应 (10.4℃ s-1)和在低电压(4V)下152℃的高温上升，在个人热管理方面显示出巨大的潜力。此外，MAGs 表现出很高的EMI屏蔽效果，单层和双层MAGs分别为49.7和66.4 dB，优于最先进的导电纺织品。相信，通过进一步利用通用的混合维组装策略来设计多功能纺织品，柔性电子纺织品将为人工智能、人机互动和个性化医疗领域的下一代可穿戴电子设备开辟一条新途径。

文献链接

Versatile Electronic Textile Enabled by a Mixed-Dimensional Assembly Strategy

https://doi.org/10.1002/smll.202208134.

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