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北京化工大学邱介山/大连理工王治宇ACS Nano:MXene软致动器!成功实现​自供电湿度传感和实时运动跟踪能力
2021年10月19日    阅读量:318     新闻来源:中国化工网 okmart.com    |  投稿

对环境变化具有自发和敏感反应的智能软材料对发展尖端人工肌肉、智能电子和机器人至关重要,而且在智能能源、催化和医疗技术中也具有重大应用潜力。将尽可能多的功能集成到简单的智能设备中时,面临着将自然反馈系统与高性价比相结合的巨大困难。湿度是无处不在的环境刺激源,没有时间、季节和设施限制中国化工网okmart.com。它不仅是一种常见的工业指标,而且在环境中储存了巨大的化学潜力。由于缺少电信号,很难精确跟踪现有湿度驱动执行器的驱动模式。这一缺点给开发具有即时精确人机通信的智能设备带来了障碍。最新的湿发电技术(MEG)提供了在亲水材料中通过离子扩散从湿度产生高压电的可行性。过渡金属碳化物/氮化物MXene作为一类应用广泛的二维(2D)材料由于表面上富含含氧基团(如-O和-OH)的高亲水性特别适合于湿度感应和湿度能量的利用,而其具有的高导电性在实现电动驱动的同时,也有助于减少将湿能转换为电能时的焦耳损耗。

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鉴于此,北京化工大学邱介山、大连理工大学王治宇等基于MXene/纤维素/聚苯乙烯磺酸(PSSA)复合膜设计了一种具有湿度驱动、湿度能量收集、自供电湿度传感和实时运动跟踪等多种功能的智能软致动器。在湿度化学势转化为机械功率的过程中,该致动器由湿度梯度下的不对称膨胀驱动。同时,水梯度还诱导质子定向扩散以产生高功率密度和开路电压的电能。该致动器的湿度灵敏度、电信号和弯曲状态之间具有良好的线性相关性,可在无需外部电源的情况下实时跟踪湿度变化的运动模式。在工程智能开关、人工手指和具有可跟踪和可识别运动模式的软机器人,以及灵敏的非接触式湿度传感器和呼吸监测器上极具应用潜力。相关工作近期以题为“A Ti3C2Tx MXene-Based Energy-Harvesting Soft Actuator with Self-Powered Humidity Sensing and Real-Time Motion Tracking Capability”发表在了《ACS Nano》上。

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通过将Ti3C2TxMXene、纤维素和PSSA的重量比为5:24:71的混合悬浮液浇铸在平面上获得该软致动器的关键部件免支撑MCPM薄膜。在薄膜合成之前,通过使用LiF/HCl从Ti3C2TxMXene相中提取Al层,然后进行超声波剥离,制备出平均横向尺寸为数百纳米的Ti3C2TxMXene纳米片。由于MCPM具有高度的灵活性和鲁棒性,因此它可以轻松折叠而不受损坏。薄膜厚度均匀,约为90μm,表面光滑。MCPM的X射线衍射(XRD)图显示了来自MXene、纤维素和PSSA的衍射信号的重叠特征。MCPM中MXene的指纹(002)峰向较低的角度移动,表明聚合物基体中的分散均匀,无堆积,通过Ti、S和O元素的均匀分布,还可以看到MXene、纤维素和PSSA的均匀分散。

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MCPM薄膜制备与材料学表征

MCPM对水分非常敏感,一旦接触到人体皮肤,就会立即卷起,而在充满水分的封闭空间中却能保持平坦,表明薄膜滚动的原因是水分梯度而不是湿度本身。关闭水分刺激后,薄膜变形是可逆的。在此基础上,将MCPM涂覆在柔性PET膜上,形成软致动器(MCPM/PET)。将银纳米线网络喷涂在MCPM表面作为防潮电极。在潮湿的环境中,用防潮PET密封MCPM的一侧,从水合表面到PET附近的干燥器底层形成一个定向的湿度梯度。因此,沿MCPM法向的梯度膨胀会导致不对称膨胀应力,使MCPM/PET致动器向PET侧弯曲。对于带有90μm厚MCPM的致动器,相对湿度从20%上升至97%,最大弯曲角度从28°线性增加至130°。通过测量湿度中的重量变化,定量评估MCPM/PET致动器的吸湿行为,在80%相对湿度下,材料显示出0.079 mg s−1cm−2的快速吸湿能力和2.73 mg cm−2最大容量。MCPM中光响应MXene的存在为解决这一问题提供了可行性。在室温下,亲水性MCPM的水分解吸缓慢,导致致动器从弯曲状态的恢复相当缓慢。MCPM中光响应MXene的存在为解决这一问题提供了可行性。在近红外(NIR)照射下(24 mW cm−2) ,MCPM/PET致动器可快速加热至44°C以上使材料水分快速蒸发,在10秒内将致动器即可恢复到其初始状态)。MCPM/PET致动器的驱动行为在反复湿度作用下是高度可逆的−随着时间的推移,显示出该装置的高度灵活性和机械稳健性。此外,该湿度驱动致动器可用作湿度控制智能开关,用于在不接触的情况下发出水位上升警报。


MCPM的湿度变形响应能力

在潮湿条件下驱动时,MXene、纤维素和PSSA上的磺酸基和羟基同时释放MCPM中高浓度的游离质子。通过将薄膜浸入含有溴酚蓝作为pH指示剂的异丙醇(IPA)中,一旦加水,溶液的颜色从蓝色变为黄色,pH值从4.6降低到3.0,对上述理论进行验证。该特性将沿MCPM中水分梯度的相同方向产生质子浓度梯度。与不可移动的官能团相反,自由质子可以沿着浓度梯度扩散并在另一侧聚集,从而湿度向实现电能转换,通过在80%相对湿度下厚度为90μm的MCPM/PET致动器可实现81.2μW·cm−3最大输出功率密度,将四个MCPM/PET致动器串联可以点亮一个数字液晶显示器。


MCPM的湿度-电能转换

值得注意的是,当相对湿度从20−96%变化时可得到VOC从0.14 到0.38 V的线性增加,并且与MCPM/PET致动器从28°到130°的最大弯曲角度变化成正比。相对湿度、VOC和弯曲状态之间的良好线性相关性提供了通过从湿度采集的电信号跟踪此类湿度驱动致动器运动状态的可行性。MCPM/PET致动器产生的湿气电能足够高,可以同时为该装置的湿度传感和驱动模式供电。无需外部电源即可支持驱动和传感功能,从而实现了实际使用的高度灵活性。作为概念验证的演示,使用两个MCPM/PET致动器作为活动臂组装了原型机器人。这些驱动臂可由从湿度能量中获取的机械动力驱动,以自动提升物体。一旦水分减少,机器人通过低功率近红外灯的控制快速卸载物体。在整个提升卸载过程中,可以通过实时跟踪电压输出来监控机器人手臂的运动模式:当机器人手臂逐渐弯曲接近物体时,电压在20秒内从0v持续上升到0.3v左右。一旦接触到物体,机器人手臂的弯曲停止,输出稳定的电压信号,约为0.3 v,表示保持状态。近红外光下电压在不到15秒内快速衰减到0v,表示物体卸载。通过使用不含PET的MCPM,还可以设计人工手指,通过湿度刺激可以灵活地向相反方向弯曲,以满足复杂的需求。它们的弯曲模式可以通过电压极性的变化进行跟踪和清晰区分。MCPM/PET致动器的极端湿度敏感性通过人手指的非接触式传感进行证明。即使只是将一根手指靠近它,也能立即产生40-80mV的高电压,不仅适用于高灵敏度的湿度传感器,而且适用于高精度的非接触式人机通信和控制。此外,该致动器还显示了灵敏传感器的潜力,可在高响应电压(>0.1 V)下监测人体呼吸过程中的水分变化,带有这种呼吸监视器的面罩可以通过可分辨的电压变化清晰地识别人类的正常和深呼吸模式。


MCPM的应用场景

总体而言,研究人员基于PET支撑的MCPM膜设计了一种软致动器,该驱动器通过MCPM在湿度梯度下的不对称膨胀和膨胀,捕获湿度能量并将其转换为机械能。这种软致动器的湿发电能力不仅可以从湿度中获取电能,还可以自供电湿度传感和跟踪驱动模式。这些特性的良好组合使我们能够设计具有可区分运动模式的智能开关、人工手指和智能机器人,以及具有高灵敏度和精度的非接触式湿度传感器和呼吸监视器,在智能能源和医疗技术等领域具有重大应用潜力。


标签:化工应用技术中心今日头条精细化学品生物化学
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