降解性与智能性兼得：多孔MXene浆料驱动柔性3D传感阵列，守护门禁安全

一、研究背景

柔性电子在实现单片三维（3D）集成时面临材料兼容性差、结构稳定性不足及规模化制造难三大核心挑战。当前柔性电子多采用二维（2D）平面集成方式，将储能单元（如微型超级电容器）与耗能单元（如压力传感器）分立组装，导致阵列面积过大、连接复杂、空间利用率低，与微型化、高集成化的发展目标相悖。

尽管3D集成技术可通过垂直堆叠提升集成度，但柔性电子的特殊性要求集成单元在机械变形下仍保持结构完整与功能稳定，而不同材料、功能单元间的界面耦合易引发连接薄弱、力学失配等问题。此外，传统微纳制造技术难以实现不同组件与外部电路的高效连续连接，进一步限制了柔性电子的实用化进程。

MXene材料（如Ti?C?T?）虽因高导电性、优异柔性及储能-传感双功能潜力成为理想候选，但原始MXene纳米片易自堆叠，导致活性位点有限、离子传输路径曲折，难以满足高集成系统的性能需求。因此，开发兼具高材料匹配度、结构稳定性与规模化制造能力的柔性3D集成策略，成为柔性电子领域的关键突破方向。

二、研究亮点

1. 提出VOU结构，以多孔MXene实现“一材多能”，将储能与传感功能集成于单个垂直单元，较传统2D集成减少界面数量60%以上，缩短互连路径，降低功耗（无压力时功耗接近0），提升集成度与材料匹配度。

2. 开发层间力调控的多孔MXene浆料，通过刮涂、压印工艺实现A4尺寸大面积制备，激光雕刻与定制化压印可快速生成阵列与图案，解决柔性电子规模化生产难题。

3. VOU兼具低自放电（1.875mV/h）、长循环（8万次稳定）、快响应（<100ms）与宽检测范围，且环境可降解，平衡性能、稳定性与环保需求，优于现有柔性传感-储能集成器件（表S1）。

4. 首次将柔性3D集成传感系统与深度学习结合，实现基于按压行为的生物特征识别，门禁准确率达98.67%，为个性化人机交互提供新范式。

三、研究内容

（一）核心材料与结构设计：多孔MXene浆料与垂直一体单元（VOU）

1. 多孔MXene浆料制备：通过HCl调控层间作用力，诱导MXene纳米片轻微絮凝，经离心得到可规模化加工的浆料。该浆料可通过刮涂、压印工艺快速成型，且能在A4尺寸基底上实现均匀涂覆，经激光雕刻可制备叉指、螺旋等定制化图案及4×4、3×3阵列。

2. 垂直一体单元（VOU）构建：灵感源于人类皮肤触觉感知机制，设计VOU结构，单个单元同时兼具微型超级电容器（MSC）与压力传感器功能。VOU以多孔MXene为核心，同时作为传感材料、活性电极、集流体与导电互连件，搭配电沉积锌纳米颗粒电极与凝胶电解质，通过CNF屏障层隔离、PET封装完成组装，大幅减少垂直方向界面数量。

（二）性能表征与机制验证

1. 材料结构表征：通过球差电镜、XRD、XPS等证实多孔MXene保留层状结构，且存在丰富面内介孔，可暴露更多活性位点、缩短离子传输距离；Tyndall效应验证其溶液分散性良好，FTIR与Raman光谱确认表面官能团（-OH、-C=O）与碳结构完整性。

2. 电化学与传感性能测试：

    - 储能性能：基于锌离子微型超级电容器（ZIMSC）的VOU（VOU-ZIMSC）抗自放电性能优异，240小时开路电压仅从1.40V降至0.95V，自放电率低至1.875mV/h，循环8万次后性能无显著衰减，电容保持率达92%；对比传统对称微型超级电容器（CSMSC），ZIMSC通过Zn2?价态转变抑制自放电。

    - 传感性能：采用砂纸复刻的微结构凝胶电解质调控灵敏度，2000目砂纸制备的VOU响应/恢复时间分别低至49ms/58ms（低压）与56ms/64ms（高压），压力检测范围与线性响应区间随砂纸目数增加而扩大；Nyquist图显示压力增加时器件阻抗显著降低，COMSOL模拟证实外力可增大电极-电解质接触面积，提升离子迁移效率。

3. 降解性与兼容性：多孔MXene溶液18天内完全降解，MXene基纸张在5% H?O?中72小时降解为TiO?纳米颗粒，凝胶层3小时内水溶性消失，展现良好环境相容性；VOU在弯曲、应力条件下表面微观结构保持完整，机械稳定性优异。

（三）应用验证：智能门禁识别系统

1. 系统集成：将3×3 VOU阵列构建为柔性单片3D集成传感系统，搭配无线传输模块与上位机应用，实现压力信号实时采集与远程传输。

2. 深度学习辅助识别：提取用户按压密码（如“25,867”）时的14项动态特征（5个保持时间、4个间隔、5个信号振幅），输入BP神经网络（隐藏层40节点、迭代5000次、Adam优化算法）训练，用户识别准确率达98.67%，可精准区分不同用户的按压行为，验证通过后显示“欢迎回家”提示。

四、总结与展望

本研究以多孔MXene为核心，突破柔性电子3D集成的材料与工艺瓶颈，构建了兼具自供电与高灵敏传感功能的单片3D集成系统。通过VOU结构设计解决界面失配问题，借助MXene浆料实现规模化制造，在储能稳定性、传感响应速度与环境兼容性上均展现优异性能，并成功应用于智能门禁识别，为柔性电子的高集成化、智能化发展提供了可行方案。

未来仍可从以下方面努力：在垂直堆叠结构中集成温度、湿度等其他传感器，构建多模态传感系统，适配健康监测、虚拟现实等复杂场景。进一步调控MXene介孔尺寸与分布，结合新型凝胶电解质（如离子液体凝胶），提升器件能量密度与传感灵敏度；优化封装工艺，延长慢性使用稳定性。完善浆料批量生产工艺，开发兼容柔性基底（如织物、生物膜）的涂覆技术，降低制造成本，推动其在可穿戴设备、智能座舱等领域的产业化应用。结合更先进的深度学习模型（如Transformer），提升动态行为特征的提取精度，拓展至手势识别、情感交互等更复杂的人机交互场景。

文献链接：https://doi.org/10.1007/s40820-025-01924-9

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