从结构维度到可穿戴传感：原位合成的PANI@Fe/Ni MOF复合材料用于健康运动监测

《Applied Surface Science》：From structural dimensionality to wearable sensing: in-situ synthesized PANI@Fe/Ni MOFs composites for health-motion monitoring

　　利用二维/三维 Fe/Ni MOFs 形貌开发的柔性压阻传感器。在二维/三维 Fe/Ni MOFs 上原位生长聚苯胺（PANI），以增强其导电性。采用喷涂和旋涂技术制备柔性压阻传感器。这些传感器在人体运动和健康监测方面具有巨大潜力。## 引言柔性传感器是智能材料科学的前沿领域，在推动技术创新中日益关键，应用于可穿戴电子设备、人机交互、健康监测和环境监测等方面。这些能力已引起产业界的广泛关注。根据不同传感原理，柔性传感器可分为压阻型[1]、[2]、[3]，电容型[4]、[5]、[6]，压电型[7]、[8]、[9]，以及摩擦型[10]、[11]、[12]。其中，柔性压阻传感器因其传感机制简单、制造过程高效且应用场景多样而尤为突出。在此背景下，受蚯蚓表皮结构启发，Liu课题组[13]提出了一种具有圆形裂纹的双重应变层传感器。该设计表现出60–70毫秒的快速响应时间，并展现了高达1000个循环的良好耐久性。此外，Tian等人[14]报道了一种响应时间为88毫秒的柔性多传感器脉搏传感器，进一步展示了该领域持续取得的进展。导电填料作为柔性压阻传感器的核心组分，一直是深入研究的热焦点。在众多导电填料中，碳纳米材料——特别是石墨烯[15]、[16]、[17]、碳纳米纤维[18]、[19]、[20]、碳纳米管[21]、[22]、[23]和碳纳米线[24]、[25]、[26]——因其优异的导电性能而备受关注。然而，考虑到碳纳米材料制备工艺复杂且成本高昂，开发新型、高效且具有经济可行性的导电填料势在必行。这些新材料有望替代或补充现有材料，从而推动柔性压阻传感器技术的发展。自金属-有机框架（MOFs）被发现以来，它们一直是科学研究的焦点。其可调的形貌和孔隙结构为MOFs在传感技术中的应用奠定了坚实基础。然而，MOFs固有的低电导率对其在柔性压阻传感器领域的进一步应用和发展构成了重大限制。为克服这一局限，研究人员探索了多种增强MOFs导电性的策略，包括MOFs碳化处理[27]、掺杂导电材料[28]以及在MOFs上原位生长导电聚合物[29]。在这些方法中，PANI[30]因其优异的导电性和简便的合成路径而备受研究者青睐。鉴于铁和镍成本低廉且自然资源丰富，再加上MOFs独特的结构特性，Adusumalli课题组[31]利用铁基MOFs开发了有效的草甘膦检测传感器。同样，Fan等人[32]利用镍基MOFs设计了可穿戴压力传感器。值得注意的是，铁和镍可形成稳定的双金属结构，从而加速镍的氧化，提高反应动力学和电导率[28]、[33]。通过精确调节铁与镍的摩尔比，研究人员可合成具有不同形貌的Fe/Ni MOFs[34]，引起了研究团队的广泛探索。例如，Cao课题组[35]通过在镍-铁合金泡沫上以富铁的Fe(Ni)-MOF团簇修饰富镍的Ni(Fe)-MOF纳米片，制备了一种具有出色电催化水氧化性能的复合材料。此外，Cao等人[36]增强了CoNiFe-MOFs的灵敏度，开发出一种用于检测糖尿病生物标志物丙酮的高效传感器。这些研究凸显了Fe/Ni MOFs在电化学和传感技术中的潜在应用。本研究展示了通过维度控制合成铁/镍金属-有机框架（Fe/Ni MOFs）以实现可调传感性能的方法。通过精确调节Fe/Ni摩尔比，获得了二维纳米花状Fe/Ni MOFs（2D Fe/Ni MOFs）和三维纳米锥形Fe/Ni MOFs（3D Fe/Ni MOFs）。随后，在这些维度不同的MOF基底上原位聚合PANI。采用植酸处理有效质子化PANI，增强其电导率[37]、[38]。然后，通过喷涂和旋涂方法制备了高性能柔性压阻传感薄膜。优化后的二维传感器（含10 wt% 2D Fe/Ni MOFs和源自0.2毫升苯胺的PANI，标记为10 wt% 0.2@2D传感器）实现了高灵敏度（502.70 kPa?1）、宽压量程（0–1095 kPa）以及快速响应/恢复特性（22/44毫秒）。类似地，三维传感器（含16 wt% 3D Fe/Ni MOFs和源自0.1毫升苯胺的PANI，标记为16 wt% 0.1@3D传感器）展现出均衡的性能——灵敏度为229.61 kPa?1，工作压力范围为0–1038 kPa，响应/恢复时间相当（23/42毫秒）。不同的结构维度性显著影响了传感性能：二维结构增强了界面灵敏度，而三维框架提高了机械稳定性以耐受宽压范围。两种传感器均可可靠检测生理信号和身体运动，展示了其在健康监测和运动检测中的潜力。这种维度驱动的设计策略为开发用于实际运动-健康传感应用的可穿戴传感器提供了可扩展的平台。## 章节片段### 材料所用化学品包括：六水硫酸镍（NiSO?·6H?O）（AR，98.5%）、九水硝酸铁（Fe(NO?)?·9H?O）（AR，99.99%）、甲酸钠（CHO?Na）（AR，99.99%）、2-氨基对苯二甲酸（NH?-BDC）（AR，98%）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）（AR，99.5%）、无水乙醇（C?H?O）（AR，>95%）、过硫酸铵（APS）（AR，98%）、苯胺（ANI）（AR，≥99%）和植酸溶液（PA）（AR，50%），均未经进一步纯化直接使用。### 在二维纳米花状Fe/Ni MOFs上原位聚合聚苯胺的制备Fe/Ni基团簇通过钠法合成。### PANI@Fe/Ni MOFs及PANI@Fe/Ni MOFs基复合薄膜的表征为了解初始阶段的结构演变，首先通过SEM研究了所合成Fe/Ni基团簇前驱体的微观形貌。如图S1a所示，富镍前驱体（用于2D Fe/Ni MOFs）呈现松散聚集的颗粒状微观结构，有利于后续片层结构的生长。相比之下，富铁前驱体（用于3D Fe/Ni MOFs）则表现出相对致密且紧密堆积的形貌（图S1b）。这些初始团簇……### 结论本研究提出了一种维度工程化策略，通过在二维和三维Fe/Ni MOFs上原位生长PANI来制造高性能压阻传感器。优化后的二维传感器（10 wt% 0.2@2D）表现出502.70 kPa?1的高灵敏度、1095 kPa的最大承载极限，以及22/44毫秒的快速响应/恢复时间。相比之下，优化后的三维传感器（16 wt% 0.1@3D）展现了均衡的性能，灵敏度为229.61 kPa?1，最大承载……### CRediT作者贡献声明**韩新媛（Xinyuan Han）：** 写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，方法学，调查研究，数据整理。**杨文闯（Wenchuang Yang）：** 写作——审阅与编辑，概念化。**尹彩柳（Cailiu Yin）：** 监督，资源，方法学，经费获取，概念化。**陈欢（Huan Chen）：** 写作——审阅与编辑，验证。**张新疆（Xinjiang Zhang）：** 写作——审阅与编辑，验证。**易春强（Chunqiang Yi）：** 写作——审阅与编辑，验证。**刘宝荣（Baorong Liu）：** 写作——审阅与编辑，验证。**潘文文（Wenwen Pan）：** 写作——### 利益冲突声明作者声明，他们不存在任何已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。### 致谢本研究由**广西壮族自治区自然科学基金**（项目编号：2026GXNSFAA00640941）资助。---韩新媛 | 杨文闯 | 尹彩柳 | 陈欢 | 张新疆 | 易春强 | 刘宝荣 | 潘文文 | 薛建宁