[发明专利]一种基于MXene电极的离子传感器及其制备方法

说明书

本发明公开一种基于MXene电极的离子传感器，涉及柔性离子传感器技术领域，本发明包括离子聚合物膜和两层包含MXene的电极层，所述离子聚合物膜位于两层包含MXene的电极层之间，所述离子聚合物膜主要由离子液体和热塑性聚氨酯制成。本发明还包括上述离子传感器的制备方法。本发明的有益效果在于：本发明中的离子传感器无需电镀金属电极，可以直接将包含MXene的电极层作为电极。

技术领域

本发明涉及柔性离子传感器技术领域，具体涉及一种基于MXene电极的离子传感器及其制备方法。

背景技术

微风吹过水面，水面可以看到明显的波纹，当有物体浸入水中时，水可以轻松的改变自身形态来包容外物。分子在液体中的扩散比固体更容易，因此能够更轻松的感知外部的刺激。当离子存在于溶液中时，容易伴随溶液扩散，因此可以将不同的电信号带到特定的位置被识别，如生物系统中的各类细胞都能通过离子的交换来获取信息。离子传感器是一种基于离子传输的传感系统，其中包含像液态分子一样可随意移动的离子，因此相较于其它类型的传感器，具有对动态的微小的刺激具有更强的识别能力。离子传感器一般以柔性材料为基底，在其中加入离子，使其在受到应力应变时发生离子迁移，因此具有柔性材料特性和传感功能。

目前柔性传感器研究较多的为压阻式、压容式以及压电式传感器，它们都是基于电子传输系统。虽然在传感精度和速度方面，基于电子传输的传感器已经取得了令人瞩目的成就，但它们在与生物系统相互作用时仍然受到限制。离子传感器由于基于离子传输系统，更可能实现生物兼容性，并且电子柔性传感器在获取信号时，通常需要外界电源输入，才能检测到其中的电阻或电容变化，如公开号为CN109059749A的专利公开柔性传感器的制备方法，在基底上依次生成牺牲层和衬底层；在衬底层上溅射金属层；对金属层进行第一光刻及刻蚀处理，形成应变传感器件。然而离子传感器在受到刺激时内部离子迁移产生电势差可被设备直接测得而不需要提供外电源。现有的离子型传感器电极一般为金属电极和导电纳米材料，需要在聚合物表面电镀金属电极，导致离子型传感器结构和制备步骤复杂。

MXene是一种新型的由过渡金属碳化物或碳氮化物构成的类似石墨烯层状结构的二维晶体材料，其化学式为Mn+1XnTx，M为早期过渡金属(例如Ti、V、Zn、Hf、Zr、Nb、Ta、Cr、Mo、Sc、Y、Lu、W)，X为C或C、N元素，T代表O，OH，F等基团，n＝1、2或3，且x为T基团的数量。

离子液体是由阴阳离子组成的液体，如KCl，NaCl在常温时为固态，高温下可以转化为液体状态，此时可被称为离子液体。在离子化合物中，阴阳离子的电荷数量和半径大小决定它们的结合力，阴阳离子体积大的结构松散，结合力小，在室温下也可以呈液体状态。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于现有技术中的离子传感器的需要在聚合物表面电镀金属电极，导致离子型传感器结构制备过程复杂、耗时长。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

一种基于MXene电极的离子传感器，包括离子聚合物膜和两层包含MXene的电极层，所述离子聚合物膜位于两层包含MXene的电极层之间，所述离子聚合物膜主要由离子液体和热塑性聚氨酯制成。

工作原理：当传感器感受到应力应变时，传感器内部朝向弯曲方向的部分受到挤压应力，离子可占用的空间变小；背向弯曲方向的部分受到拉伸应力，离子可占用的空间变大。在传感器受到弯曲应变时，由于离子液体内阴阳离子的体积不同，造成阴阳离子到达电极的速度不同，以及阴阳离子在中间层空间的占比发生变化，形成在上下两个电极中可以检测到的电势差。通过导线和外部设备可以捕捉到这种信号。

有益效果：本发明中的离子传感器无需电镀金属电极，可以直接将包含MXene的电极层作为电极，结构简单。

基于这种结构和工作原理，本发明的传感器完全不需要任何外部电源提供，即能实现传感功能，是真正意义上的无源传感器。