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清華大學(xué)張瑩瑩團(tuán)隊(duì)《Nat. Commun.》:用于人體健康管理的自供能化學(xué)電濕度傳感器
2022-09-18  來(lái)源:高分子科技

  柔性電子器件在健康管理和人機(jī)交互領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用,具有徹底改變?nèi)祟惿罘绞降木薮鬂摿。然而,大多?shù)柔性電子設(shè)備需額外配備供能裝置,不可避免的增加系統(tǒng)故障概率,影響穿戴舒適性和美觀性。因此,開發(fā)集成了能量供給的柔性電子器件是很有必要的。過(guò)去十年間,研究人員開發(fā)了一系列基于摩擦電、壓電、熱電和濕度發(fā)電原理的自供電傳感器,分別通過(guò)摩擦、壓力、溫度梯度、濕度梯度驅(qū)動(dòng)。與上述原理不同,通常用于電池的金屬—空氣氧化還原反應(yīng)可以在無(wú)需任何外界刺激的情況下將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,無(wú)需任何外界刺激驅(qū)動(dòng),具有高穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)。因其反應(yīng)速率受外界環(huán)境調(diào)控,具有應(yīng)用于自供電傳感器的潛力。


  清華大學(xué)化學(xué)系張瑩瑩團(tuán)隊(duì)以絲素蛋白和氧化石墨烯為原材料,基于金屬—空氣氧化還原反應(yīng),制備了一種自供能化學(xué)電濕度(CEH)傳感器,該傳感器展示了在健康管理和遠(yuǎn)程醫(yī)療中的應(yīng)用潛力。該CEH傳感器由夾在石墨紙和鋁箔陰陽(yáng)兩極間的氧化石墨烯/絲素蛋白/溴化鋰凝膠電解質(zhì)構(gòu)成 (1)。由于氧化石墨烯和絲素蛋白具有豐富的親水基團(tuán),同時(shí)溴化鋰具有良好的吸濕性,該結(jié)構(gòu)的輸出電流對(duì)濕度高度敏感,因此可以用作濕度傳感器。其在較寬的濕度范圍(相對(duì)濕度:11%–84%)內(nèi)展現(xiàn)出快速響應(yīng)(1.05 s)、快速恢復(fù)(0.80 s)和高靈敏度(0.09 μA/s/1%)的優(yōu)異性能(圖2)。基于CEH傳感器的優(yōu)異性能,研究人員設(shè)計(jì)開發(fā)一種集呼吸監(jiān)測(cè)診斷治療一體的智能系統(tǒng)以及非接觸式人機(jī)交互界面,展示了CHE傳感器安全防護(hù)、健康監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程治療中的潛在應(yīng)用(圖3和圖4)。


1 CEH傳感器的制備過(guò)程及潛在應(yīng)用。a,b ) 氧化石墨烯/絲素蛋白/溴化鋰墨水的制備過(guò)程、氧化石墨烯和絲素蛋白之間的相互作用、結(jié)構(gòu)表征。c) CEH傳感器的示意圖和光學(xué)照片。d)工作原理。e)在健康管理中的潛在應(yīng)用。


2 CEH傳感器的傳感性能及傳感原理。a-b)傳感器在干燥空氣和不同濕度空氣切換時(shí)的電學(xué)響應(yīng)。c)循環(huán)穩(wěn)定性。d)響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間。e)與其他類型傳感器的性能對(duì)比。f)工作原理示意圖,高濕度顯著增加凝膠電解質(zhì)的離子遷移速率。


3 CEH傳感器在呼吸監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、呼吸睡眠暫停綜合征(SAS)的診斷和治療中的應(yīng)用。a)傳感器檢測(cè)到的不同呼吸狀態(tài)下的信號(hào)。b)所采集的患有睡眠暫停綜合征患者的典型呼吸信號(hào)。c) 基于CEH傳感器的遠(yuǎn)程醫(yī)療和一體化呼吸監(jiān)測(cè)診斷治療系統(tǒng)示意圖。d) 通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將患者呼吸數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到遠(yuǎn)程終端的光學(xué)照片。e) 集成了CEH傳感器、蜂鳴器和發(fā)光二極管的智能面罩,用于呼吸睡眠暫停綜合征的診斷和預(yù)警。f) 集成了CEH傳感器和呼吸機(jī)的呼吸睡眠暫停綜合征診療系統(tǒng)。


4 CEH傳感器在非接觸式人機(jī)交互和疾病預(yù)防中的應(yīng)用。a) 非接觸式傳感測(cè)試示意圖。b-c)傳感器在水面以上不同距離的電學(xué)信號(hào)響應(yīng)。d-i) 基于CEH傳感器的非接觸式人機(jī)交互可以有效避免病毒傳播,與之對(duì)比傳統(tǒng)的接觸式傳感器會(huì)顯著增加病毒傳播風(fēng)險(xiǎn)。


  這項(xiàng)研究以 “Humidity-sensitive chemoelectric flexible sensors based on metal-air redox reaction for health management” 為題發(fā)表在《Nature Communications》上Nat. Commun., 2022, 13, 5416。清華大學(xué)化學(xué)系2018級(jí)直博李碩為該論文的第一作者。合作者包括清華大學(xué)化學(xué)系邱新平教授和北京體育大學(xué)運(yùn)動(dòng)與健康研究院宋亞鋒教授。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委和國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃的支持。


  原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-022-33133-y


通訊作者簡(jiǎn)介

張瑩瑩,清華大學(xué)化學(xué)系長(zhǎng)聘教授,博士生導(dǎo)師,課題組主要研究興趣是面向生命健康監(jiān)測(cè)的納米碳材料與、絲蛋白材料及兩者的功能復(fù)合材料,發(fā)展其在柔性電子器件、智能織物和特種纖維領(lǐng)域的應(yīng)用。Accounts of Materials Research主題編輯,Matter、Advanced Materials Technologies、Cell Reports Physical Science、功能材料與器件等期刊編委。課題組主頁(yè):www.yyzhanggroup.com

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