基于木质纤维素激光诱导MXene复合石墨烯的自供电智能鞋垫在足部健康监测中的创新应用

《Advanced Science》：Integrated Self-Powered Sensors for Continuous Foot Health Monitoring via Laser-Induced MXene-Composited Graphene Hybrids From Lignocellulose

本综述系统阐述了通过激光诱导技术从木质纤维素前体制备MXene复合石墨烯杂化材料（LIG@MXene）的创新方法，成功开发出集成摩擦纳米发电机（TENG）、超级电容器（71.4 mF cm?2）、焦耳加热器（113°C）及多模态传感器的一体化自供电智能鞋垫。该研究通过优化激光参数（功率55%，蚀刻速率70 mm s?1）显著提升材料导电性（17.2 Ω?sq?1）和稳定性，实现了对足压、湿度及汗液酪氨酸（检测限9.60 μM）的高灵敏度监测，为可穿戴医疗设备提供了绿色可持续解决方案。

　　

激光诱导MXene复合石墨烯杂化材料的制备与优化

通过蓝激光蚀刻技术，在经氮磷阻燃剂预处理的木质纤维素基底上成功制备LIG@MXene复合材料。研究系统优化激光功率（35%-75%）和蚀刻速率（40-100 mm s^?1），发现55%功率配合70 mm s^?1速率时可获得最优性能：拉曼光谱显示I_D/I_G降至1.26，XPS证实碳含量达86.7%，sp²杂化碳键比例显著提升。MXene的引入通过Ti─O─C共价键增强界面协同效应，TEM显示0.38 nm石墨烯(002)晶面与0.25 nm MXene(004)晶面共存，形成三维多孔导电网络。

多功能模块的性能表征

摩擦纳米发电机（TENG）采用PTFE-木质纤维素接触分离结构，LIG@MXene使输出电压提升至35 V cm^?2，输出电流达12.5 μA（5N压力下），功率密度97.1 mW m^?2（9 MΩ负载），万次循环后保持84.3%输出。超级电容器基于叉指电极设计，PVA/H₂SO₄凝胶电解质赋予71.4 mF cm^?2的面电容，等效串联电阻仅19.3 Ω，5000次循环电容保持率89.5%。焦耳加热器在5V电压下可达113°C，ΔR/R₀达-58.3%，呈现负电阻温度特性。

传感模块的创新应用

压力传感器采用表面A（工作层）与B（导电层）接触式设计，在0-10N区间灵敏度达3.95 kPa^?1，高压区（70-160N）仍保持0.181 kPa^?1的线性响应。湿度传感器利用LIG多孔结构吸附水分子，电阻变化与相对湿度呈线性关系（R²=0.991），灵敏度0.600/%RH。电化学传感器采用三电极体系，对酪氨酸的检测限低至9.6 μM，异质电子转移速率达11.3×10^?2 cm² s^?1，显著优于纯LIG体系。

集成系统与生命周期评估

智能鞋垫整合TENG能量采集、超级电容储能及多参数传感功能，通过蓝牙模块实现数据无线传输。LCA分析表明，单只鞋垫（150 cm²)的碳排放仅9.10 kg CO₂ eq，较传统工艺降低67.6%-79.3%，其中MXene剥离过程的冷冻干燥为主要碳排放源。该系统为糖尿病足溃疡、关节炎等疾病的早期预警提供了可持续监测方案。