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王雙飛院士團隊 Nano Energy：納米纖維素摩擦電材料用于抗?jié)襁\動傳感
2023-05-04  來源：高分子科技

  物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展及“綠色”智能社會的構(gòu)建刺激了傳感器需求量的大幅增長，同時也對傳感器的材料及應用性能等提出了更高要求。在實際應用中，傳感器需要在不同的環(huán)境下準確感知用戶的運動狀態(tài)和生理指標，而空氣濕度通常被認為是接觸式傳感中最不希望的干擾因素。水分的干擾導致傳感基材發(fā)生響應滯后、阻抗衰減和靜電屏蔽等現(xiàn)象，限制了載流子的遷移，降低了傳感的靈敏度。因此，抵抗空氣濕度的干擾成為可穿戴傳感器最具挑戰(zhàn)性的目標之一。


  近日，王雙飛院士團隊報道了一種多功能性的纖維素摩擦電材料，實現(xiàn)了高濕度環(huán)境下穩(wěn)定的自供電傳感。為了使傳感器擺脫空氣濕度的干擾，研究人員利用表面結(jié)構(gòu)設計和化學官能團修飾的耦合，賦予了纖維素摩擦電材料優(yōu)異的抗?jié)裥阅埽ǜ邼穸拳h(huán)境下傳感器的滿程輸出保持率超過82.4%）。隨后構(gòu)建了一種可穿戴的運動傳感器，并成功應用于高濕度、高應用的足底，可有效感知人類在長期步行過程中的運動狀態(tài)。這項成果以題為“Nanocellulosic triboelectric materials with micro-mountain arrays for moisture-resisting wearable sensors”發(fā)表于最新一期《Nano Energy》，2022級博士生劉濤為第一作者，聶雙喜教授和陸登俊副教授為通訊作者，梁容榕、何煥杰、曾亞萍、侯杼利、劉艷華、袁金霞、羅斌、張松和蔡晨晨參與研究。


1. 微山峰陣列抗?jié)衲Σ岭姴牧系闹苽?/span>


  通過原位自組裝策略可以實現(xiàn)纖維素摩擦電材料的大面積制備。模具凹陷的微腔誘導纖維素形成具有類山峰結(jié)構(gòu)的表面形貌，結(jié)合疏水甲基的化學修飾，制備了疏水性能優(yōu)異的纖維素摩擦電材料。利用纖維素摩擦電材料構(gòu)建了一種具有疏水與抗?jié)裥阅艿哪Σ良{米發(fā)電機，可作為高濕環(huán)境下收集生物能源的一種自供電傳感器，并在運動狀態(tài)感知、生理狀態(tài)檢測等方面具有廣闊的應用前景。 


圖1. 具有微山峰陣列結(jié)構(gòu)的抗?jié)窭w維素摩擦電材料。


2. 摩擦電材料的化學結(jié)構(gòu)表征及疏水性能


  通過FT-IR、XRD、XPS和EDS檢查了纖維素摩擦電材料的化學結(jié)構(gòu)特征，并推測了甲基硅烷取代纖維素羥基的化學結(jié)構(gòu)。采用SEM和超景深顯微鏡確認了纖維素摩擦電材料的表面形貌和粗糙度。利用水接觸角測試儀檢測了纖維素摩擦電材料的靜態(tài)水接觸角、溶液離子影響的水接觸角和長時間疏水穩(wěn)定性。確認成功制備了一種具有優(yōu)異疏水性能的纖維素摩擦電材料。 


圖2. 纖維素摩擦電材料的結(jié)構(gòu)表征及疏水性能。


3. 微山峰陣列摩擦電材料增強的抗?jié)褡怨╇娦阅?/span>


  通過水蒸氣透過率實驗和濕重檢測分析了纖維素摩擦電材料的抗?jié)窀蓴_性能，推測出疏水甲基是抵抗?jié)窨諝飧蓴_的關(guān)鍵。結(jié)合高濕度環(huán)境下的自供電性能檢測，發(fā)現(xiàn)所制備的纖維素摩擦電材料較傳統(tǒng)材料抗?jié)裥阅芴嵘?/span>4倍。并通過橫向?qū)Ρ龋l(fā)現(xiàn)纖維素摩擦電材料在同類型材料中仍具有巨大優(yōu)勢。 


圖3. 抗?jié)駛鞲衅鞯淖怨╇娦阅?/span>。


4. 微山峰陣列傳感材料增強的傳感性能


  具有高長徑比的納米纖維素纖絲交織網(wǎng)絡形成的微山峰是一種不穩(wěn)定的突起結(jié)構(gòu)，這允許微山峰在應力壓縮過程產(chǎn)生形變，從而具備優(yōu)異的應力響應性。通過應力傳感性能檢測，驗證了微山峰結(jié)構(gòu)對傳感性能的貢獻。并通過工作頻率和運行時間的測試，證明了纖維素摩擦電材料具有出色的傳感穩(wěn)定性。 


圖4. 微山峰結(jié)構(gòu)增強的自供電傳感性能。


5. 微山峰陣列抗?jié)駛鞲衅鞯膽?/span>


  足底是人類活動最為頻繁且易于感知運動狀態(tài)的敏感部位，也是一個十分復雜的高濕度環(huán)境；诶w維素摩擦電材料具有優(yōu)異的疏水、抗?jié)窈蛡鞲行阅，利用其?gòu)建了一種可應用于足底反饋運動狀態(tài)的傳感器。研究結(jié)果表明，纖維素摩擦電材料可有效感知人類的運動狀態(tài)，例如走、跑、跳等不同狀態(tài)檢測和步幅分析。在高濕度環(huán)境下，自供電傳感器長時間運行保持較優(yōu)異的傳感穩(wěn)定性。在未來，具備的自供電傳感和能量收集屬性的抗?jié)駛鞲衅鲗M足更多先進的應用需求，例如高性能摩擦納米發(fā)電機、功能性電子皮膚和便攜式可穿戴電子設備。 


圖5. 用于反饋運動狀態(tài)的抗?jié)駛鞲衅?/span>。


  這項工作中，制備了一種兼具抗?jié)裥阅芎蛡鞲行阅艿哪Σ岭姴牧希⒋蠓嵘藗鞲衅髟跐癍h(huán)境下的工作穩(wěn)定性。這項研究已經(jīng)證明通過強化材料的疏水性是增強濕環(huán)境下的傳感穩(wěn)定性的有效途徑。傳感器對濕空氣的抵抗作用歸因于微山峰結(jié)構(gòu)和憎水基團對水和濕空氣的抵抗作用，抑制了由水電離引起的靜電屏蔽效應，保留了摩擦電材料表面產(chǎn)生和束縛電荷的原生能力。此外，由纖維網(wǎng)絡構(gòu)成的微山峰結(jié)構(gòu)在應力作用下產(chǎn)生形變，促進了傳感器在應對外部應力下的高效傳感？梢哉J為，獨特的微山峰整列賦予了傳感材料的多功能性，包括疏水性、自供電性能和傳感性能。具有抗?jié)裥阅艿膫鞲衅鬟被成功應用于高濕度鞋內(nèi)環(huán)境，并完成了行走過程、運動狀態(tài)的有效感知。這項研究為可穿戴傳感器邁向現(xiàn)實應用提供理論參考，同時為新興傳感器的設計提供一種可借鑒的思路。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108480

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（責任編輯：xu）
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