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中山大學(xué)吳進(jìn) AFM:自供能可穿戴的水凝膠貼片用于超靈敏氣體檢測
2023-03-14  來源:高分子科技

  在邁向高度集成和智能化的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)發(fā)展趨勢中,無處不在的傳感器是信息收集轉(zhuǎn)換的開端,但大量分布式的傳感器不僅需要消耗大量的能源,當(dāng)使用傳統(tǒng)硬質(zhì)電池的時(shí)候還會損失穿戴式系統(tǒng)的柔性和可拉伸性,且電池需要經(jīng)常更換。在綠色發(fā)展的趨勢下,傳感器朝著低功耗甚至自供能的方向發(fā)展?纱┐鞯慕】当O(jiān)測傳感器和人工智能傳感系統(tǒng)(電子皮膚、感受憶阻器、人工神經(jīng)元和可植入傳感器等)因?yàn)榭梢詫?shí)時(shí)、無線地評估個(gè)人監(jiān)控狀況及疾病風(fēng)險(xiǎn)和潛在環(huán)境危害等,在消費(fèi)電子和醫(yī)療保健電子領(lǐng)域迅速興起和普及。


  特別是對于NO2等有害氣體的監(jiān)控十分重要,人體長期暴露于微量的NO2環(huán)境中會對呼吸系統(tǒng)造成不良影響,如哮喘、肺癌等。為了解決這些問題,最近發(fā)展出基于摩擦納米發(fā)電效應(yīng)和光伏效應(yīng)的自供能氣體傳感器,但它們的性能都不如傳統(tǒng)的氣體傳感器,此外,這些自供能傳感器需要在振動或特定光照中收集能源,從而限制了它們的應(yīng)用。因此,需要開發(fā)一種更加通用的方法來實(shí)現(xiàn)自供能和高性能的氣體傳感器。



  中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室吳進(jìn)課題組提出了一種基于氣體自發(fā)反應(yīng)的電化學(xué)自供能水凝膠基氣體傳感器,并利用雙親性的三氟甲磺酸離子(OTf-)在水凝膠表面構(gòu)筑貧水的內(nèi)亥姆霍茲層(H2O-poor IHL)調(diào)節(jié)NO2氣體的反應(yīng)路徑,極大地提升了室溫氣體傳感器的靈敏度。實(shí)現(xiàn)超高的敏感度(1.92%/ppb)、 線性(R2=0.999)、極低的理論檢測限(0.1 ppb)以及出色的選擇性,并且能夠零度以下和高濕度的環(huán)境中正常運(yùn)作。此外傳感器基于Zn-Zn(OTf)2/PAM-Carbon結(jié)構(gòu)可以在反向充電程序中修復(fù)被氧化的陽極,為延長電化學(xué)氣體傳感器的壽命和穩(wěn)定性提供了新的思路。還展示了微型化的自供能傳感器用于無線和遠(yuǎn)程N(yùn)O2監(jiān)測。該研究以題為“A Self-Powered, Rechargeable, and Wearable Hydrogel Patch for Wireless Gas Detection with Extraordinary Performance”的論文發(fā)表在《Advanced Functional Materials上。

圖一:基于Zn(OTf)2/PAM水凝膠的自供電柔性氣體傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用。


自供能氣體傳感器的性能及機(jī)理


  自供能傳感器采用“Zn-Zn(OTf)2/PAM-Carbon”器件結(jié)構(gòu),由于Zn陽極和碳陰極具有不同的電極電勢,在電勢差的驅(qū)使下,NO2在Carbon陰極處自發(fā)還原,在外電路產(chǎn)生電流變化。傳感器在超寬的濃度范圍13.3ppb-10ppm內(nèi)具有高靈敏的響應(yīng)(S=1.74%/ppb)和高線性度(R2=0.999)。對多種氣體無響應(yīng),具備出色的選擇性。由于雙親性O(shè)Tf-(CF3SO3-)離子在水凝膠合成過程中受水凝膠中的水分子和PAM的吸引,疏水側(cè)-CF3基團(tuán)自發(fā)朝向水凝膠外部形成疏水界面,且在組裝成傳感器并用于氣體檢測時(shí),在內(nèi)建電勢驅(qū)動下OTf-向陰極遷移,進(jìn)一步提升傳感器的凝膠-電極界面的疏水性,使得室溫傳感器具備出色的抗?jié)穸雀蓴_能力。離子的引入同時(shí)增強(qiáng)的水凝膠的抗凍能力,使其能在-20°C正常運(yùn)作。該傳感器還刷新了自供能NO2傳感器的靈敏度和檢測極限記錄。

圖二:自供電NO2傳感器的氣敏性能


  實(shí)驗(yàn)證實(shí)了生成電子向外電路轉(zhuǎn)移是傳感器響應(yīng)的來源,疏水的IHL的建立極大地削弱了NO2的溶解,緩解了由于NO2溶解經(jīng)過歧化反應(yīng)發(fā)生電子內(nèi)部轉(zhuǎn)移,導(dǎo)致無效的氣體檢測。作者還通過第一性原理計(jì)算揭示了OTf-離子與水分子的相互作用集中在SO3-基團(tuán)一側(cè),為疏水界面的構(gòu)筑提供了理論依據(jù)。

圖三:傳感器的檢測機(jī)理探究


Zn陽極可逆修復(fù)和傳感器應(yīng)用


  對于電化學(xué)型傳感器,一個(gè)持續(xù)的挑戰(zhàn)是金屬陽極在連續(xù)使用過程中被氧化耗盡,這會嚴(yán)重降低其穩(wěn)定性,并縮短使用壽命。而SEM表征證明反向充電的方法可以將氧化的Zn元素還原,重構(gòu)Zn陽極,從而保護(hù)傳感器的結(jié)構(gòu)。且氣敏實(shí)驗(yàn)證明,可逆修復(fù)后的傳感器的性能并未下降,在修復(fù)前后長達(dá)350次氣體檢測循環(huán)中依然能保持穩(wěn)定的響應(yīng)。反向充電的方法為延長電化學(xué)傳感器的壽命提供了一種可行性方案。

圖四:Zn陽極修復(fù)及傳感器的穩(wěn)定性


  傳統(tǒng)的氣體傳感器系統(tǒng)電路體積大、剛性大、功耗高,攜帶不便。為了滿足下一代可穿戴電子產(chǎn)品的要求,通過將傳感器與定制化的電路模塊相結(jié)合,開發(fā)了一種小型化、自供電和柔性 NO2氣體傳感系統(tǒng)(具有同步信號采集、調(diào)節(jié)、處理、無線傳輸功能)。水凝膠還可以作為粘合層將傳感器與衣服等各種材料的粘附,方便地實(shí)現(xiàn)傳感器的靈活使用。利用該傳感系統(tǒng),可以實(shí)時(shí)地檢測環(huán)境中的微量NO2濃度,并對超出閾值濃度的氣體作出預(yù)警,為人們的安全保駕護(hù)航。

圖五:無線、可穿戴、自供能的NO2傳感系統(tǒng)及其應(yīng)用


  總結(jié):在本研究中,作者開發(fā)了一種柔性且無線的室溫氣體監(jiān)測系統(tǒng),由自供能NO2傳感器和微型電路模塊組成,可貼合地穿戴在人體或機(jī)器人上,及時(shí)發(fā)出NO2泄露警報(bào)以預(yù)防氣體中毒事件的發(fā)生。該傳感器是基于Zn-Zn(OTf)2/PAM水凝膠-Carbon的結(jié)構(gòu)構(gòu)造而成的,具有超高的敏感度(1.92%/ppb)、線性度(R2=0.999)、 極低的理論檢測下限(0.1 ppb)以及出色的選擇性,并且能夠零度以下和高濕度的環(huán)境中正常運(yùn)作。實(shí)驗(yàn)與理論分析表明:引入雙親性的OTf? 離子使得水凝膠-陰極界面形成了一個(gè)貧水的內(nèi)亥姆霍茲層調(diào)控NO2的反應(yīng)路徑從而提升響應(yīng)性。長時(shí)間測試及充電后的穩(wěn)定響應(yīng)和陽極的可逆修復(fù)表明可逆充電的設(shè)計(jì)有望延長傳電化學(xué)傳感器的使用壽命。這項(xiàng)工作促進(jìn)了高性能、自供能、柔性和集成化氣體傳感器的發(fā)展,在柔性電子領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用價(jià)值。


  原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202300046


  本工作的研究基礎(chǔ)是基于課題組近年來在導(dǎo)電水凝膠基柔性可穿戴式傳感器方面的系列研究進(jìn)展(Advanced Functional Materials 2023, 2300046,DOI: 10.1002/adfm.202300046;Advanced Science 2023, 10, 2205632;Nano-Micro Letters 2022, 14, 52;Nano-Micro Letters 2022. 14,183;Materials Horizons 2019, 6, 595;Materials Horizons 2022, 9, 1935;Materials Horizons 2022, 9, 1921;Advanced Science 2022, 9,2104168;Materials Horizons 2022, 9, 1356;Small 2021, 17, 2104997;SmartMat 2023,4,e1141;SmartMat 2023, 4, e1147;etc.)。


中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院聯(lián)合招收博士后-柔性傳感-醫(yī)學(xué)交叉研究方向


1、研究平臺


  依托于中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院耳鼻咽喉研究所。中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在電子元器件制備方面有廣泛的研究基礎(chǔ),擁有約24700平方米的研究場地、潔凈室和100套以上的精密貴重儀器,可用于材料的可控制備、微納加工和電學(xué)性能測試。柔性電子實(shí)驗(yàn)室搭建了較為齊全的傳感材料合成、柔性傳感器制備、表征和測試的平臺。中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院耳鼻咽喉研究所為國家重點(diǎn)學(xué)科和廣州市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,具有豐富的臨床資源和完善的實(shí)驗(yàn)室條件;同時(shí)中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院為綜合類國家區(qū)域醫(yī)療中心,其精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)研究院擁有國際一流的科研平臺。本課題組依托機(jī)構(gòu)科研條件優(yōu)越,團(tuán)隊(duì)學(xué)術(shù)氣氛濃厚,為博士后提供自由探索機(jī)會并大力支持個(gè)人事業(yè)發(fā)展,誠邀符合條件的青年科研人員加盟。


2、招聘崗位和薪酬待遇


博士后:年薪28萬起(含五險(xiǎn)一金)。


績效獎(jiǎng)勵(lì):


1)如獲得博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃、國際交流引進(jìn)項(xiàng)目、省引進(jìn)項(xiàng)目,年薪可達(dá)37.4萬;

2)根據(jù)文章發(fā)表、基金申請情況給予博士后發(fā)放額外科研績效津貼;

3)獲批國家級基金項(xiàng)目會額外提供配套經(jīng)費(fèi)支持

4)推薦及協(xié)助申報(bào)國家和廣東省各層次人才項(xiàng)目,如“廣東省博士后人才引進(jìn)計(jì)劃”,最高可獲100萬資助;

(5)出站業(yè)績突出者,可推薦應(yīng)聘副研究員/研究員等職位。


3、招聘要求


1)具有材料、電子、化學(xué)、物理、生物、醫(yī)學(xué)背景均可,有交叉學(xué)科研究背景的優(yōu)先考慮。

2)已獲得化學(xué)、材料、生物、醫(yī)學(xué)相關(guān)專業(yè)博士學(xué)位或接近完成博士學(xué)位。

3)海內(nèi)外知名高校、研究機(jī)構(gòu)博士畢業(yè)生,年齡35歲以下,獲得博士學(xué)位不超過3年,發(fā)表過SCI論文;

4)身心健康,工作認(rèn)真負(fù)責(zé),具有良好的團(tuán)隊(duì)合作精神。


4、應(yīng)聘方式


有意應(yīng)聘者請將個(gè)人學(xué)術(shù)簡歷、學(xué)歷學(xué)位證明文件、代表性業(yè)績成果等相關(guān)證明材料,發(fā)送至wujin8@mail.sysu.edu.cn,郵件標(biāo)題注明:應(yīng)聘博士后+本人姓名。


5.合作導(dǎo)師簡介:


1.李春煒博士,中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院教授,博士生導(dǎo)師,獲聘中山大學(xué)“百人計(jì)劃”中青年杰出人才,入選廣東省珠江人才計(jì)劃“引進(jìn)高層次人才項(xiàng)目”;于新加坡國立大學(xué)獲得醫(yī)學(xué)博士學(xué)位,后在新加坡國立大學(xué)耳鼻咽喉研究所進(jìn)行博士后研究工作。長期從事上呼吸道臨床和基礎(chǔ)相結(jié)合的研究,致力于于耳鼻喉科常見疾病的相關(guān)研究,并且已建立跨學(xué)科合作團(tuán)隊(duì),與免疫學(xué)、微生物學(xué)、干細(xì)胞學(xué)、環(huán)境衛(wèi)生學(xué)、流行病學(xué)、營養(yǎng)學(xué)、生物工程學(xué)、人工智能、工程物理學(xué)、生物信息學(xué)等課題組開展以上呼吸道黏膜(特別是呼吸道上皮)為中心的交叉研究,致力于拓展上呼吸道的知識和研究體系并取得創(chuàng)新性成果。已在過敏與臨床免疫權(quán)威期刊如Nature Communications,Journal of Allergy and Clinical Immunology, Allergy, Clinical& Experimental Allergy發(fā)表多篇通訊作者論文。近5年,作為主持人已獲得:國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(2項(xiàng))、廣州市對外科技合作計(jì)劃(200萬元)、廣東省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、中山大學(xué)青年教師重點(diǎn)培育項(xiàng)目、中山大學(xué)“百人計(jì)劃”啟動經(jīng)費(fèi),經(jīng)費(fèi)總數(shù)超過650萬元。


2. 吳進(jìn)博士,中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院“百人計(jì)劃”副教授,博士生導(dǎo)師,中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室固定成員。開發(fā)面向健康醫(yī)學(xué)和環(huán)境安全監(jiān)測應(yīng)用的柔性可拉伸、可穿戴、自修復(fù)的智能傳感材料與器件及穿戴式系統(tǒng)、高性能離子/電子皮膚、水凝膠電子。以通訊或一作在Advanced Functional Materials(2篇), Advanced Science(3篇), Nano-Micro Letters(4篇), Materials Horizons(4篇), Small等期刊發(fā)表SCI論文>70篇,其中IF10的論文40篇,ESI高被引論文/熱點(diǎn)論文18篇,論文被引用5000多次,入選全球前2%頂尖科學(xué)家榜單。申請/授權(quán)國內(nèi)外發(fā)明專利20多件。擔(dān)任Front. Mater.(IF=4)副主編、Adv. Fiber Mater.(IF=13,中科院一區(qū)期刊)、Sci. China Mater.(IF=8.6,Q1)、SmartMat(即時(shí)IF≈15,中國科技期刊卓越行動計(jì)劃高起點(diǎn)新刊)等多個(gè)期刊的青年編委。課題組常年招收博士后、博士生(每年1名)、碩士生(每年2名),歡迎聯(lián)系。


  下載:A Self-Powered, Rechargeable, and Wearable Hydrogel Patch for Wireless Gas Detection with Extraordinary Performance

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