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  廣州大學化學化工學院、廣東省節(jié)能環(huán)保精細化學品工程技術研究開發(fā)中心劉鵬副教授所在團隊以淀粉水凝膠為基材，構建了具有應變響應的柔性電池和自供電柔性傳感材料，相關工作以All-Starch-Based Hydrogel for Flexible Electronics: Strain-Sensitive Batteries and Self-Powered Sensors為題，發(fā)表于國際學術期刊《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》。文章第一作者是廣州大學化學化工學院碩士研究生馬聰，通訊作者為廣州大學的劉鵬副教授、汪黎明教授和英國紐卡斯爾大學謝豐蔚副教授。

  近年來，柔性電子設備逐漸受到人們的關注。其柔韌的機械靈活性，不僅在人體傳感、智能設備、健康監(jiān)測領域有廣泛應用，更可以輔以物聯(lián)網(wǎng)、云空間等技術，對數(shù)據(jù)進行實時采集，進一步優(yōu)化醫(yī)療、健康等領域的數(shù)據(jù)準確性。相較于合成高分子，糊精、明膠、殼聚糖、淀粉和木質素等天然高分子具有可再生、環(huán)境友好、生物安全性高且價格低等優(yōu)勢，因而制備全生物基柔性電子設備一直是研究的熱點領域。其中淀粉由于其較好的凝膠性能和低廉的市場價格而備受關注。

  課題組基于對高直鏈淀粉解構和重組形成水凝膠過程的研究，設計在淀粉凝膠中構建原電池的電極反應：在解構后的淀粉溶膠中引入具有電勢差的陽離子和金屬顆粒，通過兩個半反應在凝膠中形成完整的原電池反應。其具體的電極反應式如下：

  陽極：M ? 2e^? = M ²⁺（M代表鋅、鐵、錫金屬粉末）

  陰極：Cu²⁺ + 2e^? = Cu

  利用此策略制備的淀粉基柔性電池，可以對外輸出電流，點亮LED燈泡，同時由于電池具有一定的柔性，在外力作用下會發(fā)生形變導致電池內阻發(fā)生變化，從而使輸出電流發(fā)生變化，表現(xiàn)出應變響應性。在10%應變下，輸出電流的變化(ΔI/I₀)約為16%，40%應變對應300%的電流變化；10 kPa壓力對應電流變化為18%，300 kPa壓力對應300%。同時在20%的循環(huán)壓縮形變下，持續(xù)1000次后依然可以保持輸出電流的應變響應性。

圖1：淀粉基電池實物、放電性、應變響應性及其結構示意圖

  在此基礎上，課題組將電池制成薄片狀，與碳布貼合，制得了一種淀粉基柔性自供電傳感材料。傳感材料可被彎曲、折疊或扭曲，且無需外接電源，即可憑借自身的放電及形變敏感性產(chǎn)生顯著的電流變化信號。其可以測得低至10kPa的應力，同時具有1.53 kPa^?1的高靈敏度。將其用于傳感測試，可以精確測量脈搏的跳動信號，不同音節(jié)的喉部發(fā)聲振動，亦可識別手指彎曲、腳步運動等常見運動的幅度大小。

圖2：淀粉基自供電傳感器的組裝及其傳感性能測試

  該研究獲得了廣東省自然科學基金、廣州市科技計劃項目（珠江科技新星專項）等項目的資助。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.2c00872

  課題組近年來在淀粉水凝膠、淀粉導電、感應材料方面的系列工作發(fā)表于ACS Sustainable Chemistry & Engineering、Carbohydrate Polymers等學術期刊：      https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.0c07473https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.9b07726

https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2018.11.034