1成果简介
能源存储与传感功能在单一微型化设备中的融合，标志着下一代可穿戴电子设备的重要突破。本文，东南大学王育乔 教授团队在《ACS Appl. Electron. Mater》期刊发表名为“MXene-Intercalated GO/MnO2 via Layer-by-Layer Assembly for Highly Sensitive Wearable Capacitive Microsensors”的论文，研究报道了一种具有理性设计的层层堆叠结构的MXene/GO@MnO₂复合材料，适用于平面微型超级电容器（PMSCs）和电容式微型传感器。
通过在MXene层间插入MnO2修饰的氧化石墨烯（GO@MnO2），层间距扩展至1.47 nm，从而实现超快离子扩散（DLi+ = 3.1 × 10–12 cm2 s–1）和高效垂直电子传输（σ⊥ = 247.7 S m–1）。所得PMSCs在MXene基微型设备中实现了创纪录的面积电容（39.3 mF cm–2）和能量密度（2.0 μWh cm–2），且在10,000次循环后电容保持率达91.1%。作为可穿戴传感器，该设备展现出多信号检测能力，包括温度（10–40 °C，灵敏度 = 6.3% °C–1）、压力（灵敏度 >1.0 kPa–1，响应时间 <10 ms）及生物力学运动。本研究通过二维材料的战略性层间工程，为设计多功能微系统提供了范例。
2图文导读
图1. (a) Schematic illustration for the synthesis of MXene/GO@MnO2-based PMSCs. (b) SEM images of MXene, (c) MXene/GO, (d) MXene/MnO2, and (e, f) MXene/GO@MnO2. (g) Elemental mapping of MXene/GO@MnO2.
图2. (a) TEM image, (b) HRTEM image, (c) SAED pattern, and (d) elemental mapping images of GO@MnO2. (e, f) XRD patterns of MXene, MXene/GO, MXene/MnO2, MXene/GO@MnO2, MAX, GO, MnO2, and GO@MnO2. (g) FTIR spectra of GO, GO@MnO2, MXene, and MXene/GO@MnO2. (h) XPS spectra of Mn 2p, (i) XPS spectra of O 1s, and (j) XPS spectra of C 1s.
图3. (a) CV curves from 5 to 100 mV/s. (b) GCD curves from 0.2 to 1.0 mA/cm–2. (c) Specific capacitance vs current density. (d) I–V plots. (e) Vertical electrical conductivities. (f) Nyquist plots. (g) Warburg impedance and diffusion coefficients. (h) GCD curves of PMSCs with bending angles of 0, 30, 60, 120 and 180°. (i) Cycling performance at 1.0 mA/cm–2. (j) Ragone plots in comparison with other reported energy storage devices.
图4. (a) Schematic diagram, (b) GCD curves, and (c) CV curves of MGMPs in series and parallel conditions. (d) Schematic diagram of the operation of the MXene/GO@MnO2 capacitive hybrid microsensor; current output signal of the sensing device, corresponding to (e) body temperature, (f) finger-tapping, (g) blowing, and (h) bending at different frequencies.
3小结
综上所述，我们展示了一种由MXene和GO/MnO₂层层组装而成的复合材料，作为电容式微传感器和指间型PMSC的高性能电极。在MXene层之间引入GO@MnO₂有效地扩大了层间间距，优化了离子扩散路径并提升了电荷传输效率。生长在GO表面的MnO2优化了其电子结构，促进了高效的电子转移。凭借优异的机械柔韧性和良好的集成性，PMSCs可作为柔性电容式微传感器，实现对人体运动信号（如温度、呼吸和指尖触摸）的敏感且快速检测。这些性能良好的微传感器展现了微型超级电容器在监测微生物信号方面的巨大潜力。
文献：
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