基于二维Ti3C2 MXene与过渡金属氧化物复合的柔性非对称超级电容器集成健康监测系统

《npj Flexible Electronics》：Integrated health monitoring system with flexible asymmetric supercapacitors based on 2D Ti?C? MXene and transitional metal oxides

为解决柔性医疗设备能源存储难题，研究人员开发了基于Fe2O3@Ti3C2 MXene复合材料的柔性非对称超级电容器（FTASC）。该器件在PVA/H2SO4凝胶电解质中实现123 Fg-1比电容和26.15 Wh kg-1能量密度，经10,000次弯曲循环仍保持85%容量，成功驱动压力传感器实现无线心率监测，为可穿戴医疗电子提供可持续能源方案。

　　

随着智能医疗设备的快速发展，可穿戴健康监测技术正悄然改变传统医疗模式。然而，这些设备往往受限于笨重的有线设备或需要频繁充电的电池系统，严重制约了其实用性和舒适度。当前，柔性电子设备对轻量化、便携式能源存储方案提出了更高要求，而传统锂/钠离子电池存在有机溶剂污染风险，且机械柔韧性不足。在这一背景下，超级电容器（Supercapacitors, SCs）因其高功率密度、快速充放电和优异循环稳定性成为理想替代方案，特别是柔性超级电容器（Flexible Supercapacitors, FSCs）在弯曲、折叠状态下仍能保持稳定性能，展现出巨大应用潜力。

本研究由捷克布尔诺技术大学未来能源与创新实验室的Kaaviah Manoharan和Martin Pumera团队完成，发表于《npj Flexible Electronics》。团队通过将二维Ti₃C₂ MXene与过渡金属氧化物（Transition Metal Oxides, TMOs）纳米复合材料结合，开发出具有高机械稳定性的柔性非对称超级电容器（Asymmetric Supercapacitor, ASC），并成功集成于实时健康监测系统。

研究采用超声辅助剥离法制备Ti₃C₂T_x MXene，通过共沉淀法合成Fe₂O₃、MnO₂、NiO、ZnO纳米颗粒，并利用超声复合技术制备MXene复合电极材料。采用刮涂法在碳布上制备无粘结剂电极，以PVA/H₂SO₄凝胶为电解质组装柔性器件。通过X射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman）、扫描电镜（SEM）等技术表征材料结构，使用电化学工作站进行循环伏安（CV）、恒流充放电（GCD）和电化学阻抗（EIS）测试。

结构形貌分析

XRD显示Fe₂O₃@Ti₃C₂复合材料中Fe₂O₃的（012）、（101）晶面特征峰与Ti₃C₂的（002）峰同时存在，且（002）峰从9°左移至5°，表明Fe₂O₃作为层间间隔物有效阻止了MXene片层重新堆叠。SEM图像显示Fe₂O₃纳米颗粒均匀锚定在Ti₃C₂片层表面，BET比表面积达112 m² g^-1，微介孔结构有利于离子传输。XPS证实Fe₂O₃与Ti₃C₂间形成Fe-O-Ti键，产生协同效应。

三电极系统电化学性能

在1 M H₂SO₄电解液中，Fe₂O₃@Ti₃C₂电极在0.5 A g^-1电流密度下比电容达213 F g^-1，显著高于纯Ti₃C₂（66 F g^-1）及其他复合材料。CV曲线在0.5 V/0.2 V处出现明显氧化还原峰，对应Fe²⁺/Fe³⁺价态转变。EIS显示电荷转移电阻（R_ct）仅7 Ω，表明界面反应动力学优异。通过b值分析（b=0.89）确认电容控制为主（83%）的储能机制。

柔性非对称器件性能

Fe₂O₃@Ti₃C₂||Ti₃C₂ ASC在PVA/H₂SO₄凝胶电解质中工作电压窗口达1.1 V，比电容为123 F g^-1。Ragone图显示其能量密度为26.15 Wh kg^-1（功率密度880 W kg^-1），优于多数报道的MXene基超级电容器。经过10,000次充放电循环后电容保持率达94%，库伦效率96%；经历10,000次弯曲循环后仍保持85%容量，证明优异机械稳定性。

健康监测应用验证

串联的FTASC器件成功点亮LED灯和驱动数字温度计。集成压力传感器后，可实时监测桡动脉、肱动脉和颈动脉脉搏信号（约72次/分钟），并通过无线传输将数据发送至智能手机。系统在500秒内以13 μW功率稳定运行，证实其在可穿戴医疗设备中的实用价值。

该研究首次将Fe₂O₃@Ti₃C₂基柔性超级电容器与生物传感系统集成，解决了可穿戴设备能源供给的瓶颈问题。Fe₂O₃的引入不仅提升了MXene的比电容和稳定性，还通过界面工程优化了离子传输路径。尽管在规模化生产和生物相容性方面仍需优化，但此项工作为下一代柔性生物电子设备提供了创新能源解决方案，有望推动物联网（IoT）支持的实时健康监测技术发展。