MXene二维纳流自驱动压力传感器中离子选择性输运的力-电耦合调控机制研究

With the ability to collect energy in the environment and drive themselves to work, self-powered sensors are expected to solve the problem of power supply caused by the rapid development of portable sensors, and the research in this area has become the frontier and hot spot in the related field recently. Moreover, the transfer functions of the self-powered pressure sensors which have been developed are not ideally linear, which limits its practicability. The nanoscale gap between the two-dimensional material laminates can restrict the movement of electrolytes and realize the selective transport of ions, which can be applied to the conversion of mechanical energy to electric energy by nanofluidics. More importantly, the generated voltage (current) is positively proportional to the applied pressure. This proposal plans to use MXene (mainly Ti3C2) with excellent hydrophilicity and abundant surface charge to build a nanofluidic channel, and achieve a brand new self-powered pressure sensor with linear transfer function, by converting pressure (mechanical energy) into electrical signals (electrical energy). In addition, through quantitative researching the modulation mechanism of ion selective transport in the MXene two-dimensional nanofluidic channel, the mechanical-electrical coupling mechanism of the device can be explained, and a high performance self-powered pressure sensor can be developed ultimately. This proposal will reveal the working mechanism of MXene based nanofluidic device, and have important research value in developing intelligent sensor with core independent intellectual property rights.

自驱动传感器能收集环境中的能量并自我驱动实现传感功能，有望解决便携式传感器迅猛发展所带来的供能问题，此方面的研究已成为当前相关领域的前沿和热点。其次，目前已开发的自驱动压力传感器传递函数都不是理想的线性函数，限制了其实用性。二维材料片层之间的纳米级间隙能够限制电解质的运动并实现离子的选择性输运，可应用于纳米流体学并实现机械能到电能的转换，更重要的是，其产生的电压（电流）与所加压力成正比关系。本课题计划利用具有良好亲水性及丰富表面电荷的二维材料MXene（主要是Ti3C2）构建纳流沟道，实现压力（机械能）到电信号（电能）的转换，获得一种具有线性传递函数的自驱动压力传感器。通过定量研究二维纳流沟道中离子选择性输运的调制机制这一基本科学问题，对器件的力电耦合进行解释并指导优化器件性能。该研究工作将揭示MXene基纳流器件的工作机制，对于开发拥有核心自主知识产权的智能传感器具有重要的研究价值。

自驱动传感器能够收集环境中的能量并自我驱动实现传感功能，有望解决便携式传感器迅猛发展所亟需解决的供能问题，此方面的研究已成为当前相关领域的前沿和热点。其次，目前已开发的自驱动压力传感器传递函数都不是理想的线性函数，极大地限制了其实用性。二维材料片层之间的纳米级间隙能够限制电解质的运动并实现离子的选择性输运，可应用于纳米流体学并实现机械能到电能的转换，更重要的是，其产生的电压（电流）与所加压力成正比关系。本课题利用具有良好亲水性及丰富表面电荷的二维材料MXene（主要是Ti3C2）构建纳流沟道，实现压力（机械能）到电信号（电能）的转换，获得了一种具有线性传递函数的自驱动压力传感器。在MXene片层间引入高强度的纤维素纳米纤维，增强了纳流薄膜的机械性能及抗溶胀性，构建了MXene片层间隙可连续调节的二维纳流薄膜。进一步研究了MXene片层尺寸、表面官能团和电解质浓度等参数对纳流沟道压力响应行为的影响。讨论了器件结构与纳流压力传感器压力响应行为的相关性，提出了通过调整结构优化传感性能的方法。通过一系列优化，将传感器的灵敏度提高到约21.64 nA/kPa。在此基础上，利用同样具有丰富表面官能团的氧化石墨烯（GO）构建了离子选择性的纳流沟道，并获得了具有线性传递函数的自驱动压力传感器，验证了离子选择性输运中力-电耦合调控机制的普适性。通过系统研究二维纳流沟道中离子选择性输运的调制机制这一基本科学问题，对器件的力电耦合进行解释并指导优化器件性能。该研究工作揭示了MXene基二维纳流器件的工作机制，对于开发拥有核心自主知识产权的智能传感器具有重要的研究价值。