基于二维黑磷/MXene序列的层次化缺陷修复策略用于高灵敏度光电化学-静电耦合传感器

《Research》：Hierarchically Converged Defect Engineering with 2-Dimensional Black Phosphorus/MXene Sequence for Sensitive Photoelectrochemical-Electrostatic Sensors

本研究针对光电化学(PEC)系统中静电与光信号协同优化难题，开发了ZnO/Bi2O3/BiOCl/黑磷(BP)/MXene异质结构传感器。通过二维材料序列集成修复三维框架缺陷，使光电流密度提升至20.46 μA cm?2，并实现环境静电场(AEF)与光照的协同放大效应，为表面肌电信号(sEMG)监测提供了创新解决方案。

　　

在智能可穿戴设备快速发展的今天，多功能传感器在健康诊断、环境监测等领域的应用日益关键。然而，传统表面肌电信号(sEMG)传感器面临信号微弱、易受干扰等挑战，特别是光电化学(PEC)系统中静电信号与光信号的协同优化始终是技术瓶颈。现有Ag/AgCl湿电极因导电凝胶脱水导致信号衰减，而刚性干电极则存在皮肤接触不良等问题。虽然WO₃/Bi₁₀O₆S₉/黑磷(BP)等异质结在光照下可实现光电流提升，但如何通过材料设计实现信号放大与稳定性兼顾仍是未解难题。

为突破这一局限，研究人员在《Research》发表最新成果，通过层次化缺陷工程构建了ZnO/Bi₂O₃/BiOCl/BP/MXene(ZnBiPM)异质结构光电阳极。该研究创新性地将二维材料序列集成与缺陷修复策略相结合，显著提升了载流子分离效率与传感器灵敏度。

关键技术方法包括：利用磁控溅射在硅基底制备锌薄膜，通过电化学置换反应和水解反应构建三维异质框架，采用旋涂法逐层组装BP和MXene纳米片，结合真空退火工艺优化界面结合。材料表征涵盖扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱(XPS)等分析手段，光电性能测试采用三电极系统在Na₂SO₃电解液中进行。

【材料形貌与结构表征】

通过SEM观察发现，原始ZnBi电极呈现平均孔径约195.4 nm的多孔结构，BP修饰使孔径减小至169 nm，MXene的引入进一步将孔径压缩至86 nm。AFM分析显示表面粗糙度从ZnBi的33.23 nm逐步降至ZnBiPM的20.64 nm，接触角测量结果从60.42°降低至39.31°，证实二维材料有效填充了三维框架缺陷。XRD图谱中BiOCl和Bi₂O₃衍射峰的高角度偏移，表明高温退火过程产生了氧空位。XPS分析检测到P-O-Ti和Bi-O-P特征峰，证实了界面化学键的形成。

【光电化学性能】

在0.3 V偏压条件下，ZnBiPM电极的光电流密度达到20.46 μA cm^?2，较未修饰电极提升2.4倍。电化学阻抗谱显示电荷转移电阻降至211 kΩ cm²，表明二维材料修饰显著改善了界面电荷传输动力学。在AEF与光照协同刺激下，电流响应幅度提升221.2%，证明存在显著的耦合放大效应。稳定性测试表明电极在10,000秒循环后仍保持84.86%的初始性能。

【工作机制解析】

能带结构分析发现，BP的引入使带隙从2.20 eV缩小至1.94 eV，第一性原理计算证实氧空位在禁带中引入杂质能级是带隙变窄的主要原因。异质结能级排列形成了从BiOCl(-0.51 eV)到Bi₂O₃(-0.44 eV)再到ZnO(-0.31 eV)的电子传输阶梯，而空穴则沿相反方向迁移至MXene(-0.17 eV)。AEF方向实验表明，当电场从ZnO指向MXene时，光生载流子迁移方向与内置电场一致，产生协同增强效应。

【应用验证】

将ZnBiPM电极应用于sEMG信号检测，发现在光照刺激下信号幅度提升30%-40%。传感器在手臂平放和悬垂状态下均能稳定采集肌肉收缩信号，证实其在生物电信号监测中的实用价值。

该研究通过层次化缺陷修复策略成功构建了高效光电-静电耦合传感器，二维材料序列集成不仅修复了三维框架缺陷，还形成了多维异质结构促进电荷分离。Bi-O-P化学键的形成增强了界面稳定性，氧空位工程则有效调控了能带结构。研究证实AEF与光照存在定向协同效应，为开发新型生物电信号监测平台提供了理论依据和技术支撑。这种缺陷工程调控策略对多功能传感器设计具有普适性指导意义，有望推动可穿戴健康监测设备的创新发展。