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中科院蘇州納米所張珽研究員團(tuán)隊(duì) AM：一種用于可穿戴電子的柔性強(qiáng)韌水伏離子傳感器
2023-07-07  來(lái)源：高分子科技

  由于構(gòu)成水伏器件的功能化納米材料間缺乏有效的綁定機(jī)制，嚴(yán)重制約了蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)的水伏效應(yīng)在可穿戴傳感電子領(lǐng)域的應(yīng)用。在不犧牲納米通道結(jié)構(gòu)和表面功能特性的前提下，顯著提高水伏器件的機(jī)械強(qiáng)度和柔性以滿足可穿戴需求是實(shí)現(xiàn)水伏效應(yīng)在可穿戴電子領(lǐng)域廣泛應(yīng)用所面臨的重大挑戰(zhàn)之一。另一方面，基于具有交疊雙電層納米通道的水伏器件在產(chǎn)電之外還具有離子傳感的潛力，然而目前研究大多都聚焦于水伏產(chǎn)電性能的提升，水伏離子傳感卻被忽視。


圖1. 用于可穿戴電子的柔性強(qiáng)韌PAN/Al2O3水伏器件的材料、結(jié)構(gòu)及水循環(huán)示意圖。


  近期，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張珽研究員團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種用于柔性可穿戴電子的強(qiáng)韌水伏離子傳感器。利用高分子聚丙烯腈（PAN）對(duì)氧化鋁（Al2O3）納米顆粒進(jìn)行強(qiáng)力的串聯(lián)和綁定（圖1，圖2A-C），使其形成的多孔薄膜具有出色的柔性和機(jī)械抗沖擊特性，可以經(jīng)受超過(guò)180°的彎曲和9.92 m s-1的高速水流沖擊（圖2D-F）。更為重要的是，PAN結(jié)構(gòu)穩(wěn)定機(jī)制的引入也未對(duì)Al2O3形成的納米通道結(jié)構(gòu)和表面Zeta電位造成限制。基于該柔性強(qiáng)韌PAN/Al2O3薄膜的水伏離子傳感器件展現(xiàn)了高達(dá)3.18 V的最大開(kāi)路電壓（去離子水中）（圖3）和10-4-100 M的離子濃度傳感范圍（圖4）。進(jìn)一步，通過(guò)接觸和非接觸式水分收集器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，成功的將其應(yīng)用于可穿戴多功能傳感器供能和自驅(qū)動(dòng)汗液電解質(zhì)傳感器的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)了基于水伏效應(yīng)的運(yùn)動(dòng)健康監(jiān)測(cè)（圖4）。該項(xiàng)研究工作突破了傳統(tǒng)水伏器件中功能化納米顆粒組裝中的機(jī)械脆性限制，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高性能水伏產(chǎn)能和水伏離子傳感，為蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)的水伏效應(yīng)應(yīng)用于可穿戴傳感領(lǐng)域提出了創(chuàng)新思路。該工作以“A flexible tough hydrovoltaic coating for wearable sensing electronics”為題發(fā)表在《Advanced Materials》上（10.1002/adma.202304099）。文章第一作者是中科院納米所副研究員李連輝和碩士研究生鄭卓，通訊作者為張珽研究員。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。 


圖2. 柔性強(qiáng)韌PAN/Al2O3水伏薄膜的結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度表征。 


圖3. 基于柔性強(qiáng)韌PAN/Al2O3薄膜的水伏器件的產(chǎn)電性能。 


圖4.柔性強(qiáng)韌水伏離子傳感器的離子傳感性能。 


圖5. 基于柔性強(qiáng)韌水伏離子傳感器的可穿戴應(yīng)用。


  該工作是團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于高性能柔性水伏自驅(qū)動(dòng)傳感相關(guān)研究的最新進(jìn)展之一。近年來(lái)，團(tuán)隊(duì)始終聚焦于高性能水伏器件設(shè)計(jì)制備及其在柔性可穿戴傳感領(lǐng)域的應(yīng)用：利用超吸水凝膠構(gòu)建了便攜式蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)水伏發(fā)電機(jī)，突破了水伏發(fā)電機(jī)固定水槽的束縛，使水伏器件作為可穿戴電子設(shè)備的柔性電源平臺(tái)用于驅(qū)動(dòng)柔性電子器件（Nano Energy, 2020, 72, 104663.; Nano Lett. 2019, 19, 5544?5552.）; 從熱能捕獲和能量傳導(dǎo)的角度構(gòu)建了具有光熱轉(zhuǎn)換和熱傳導(dǎo)增強(qiáng)的蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)水伏器件，為打破環(huán)境桎梏提升水伏發(fā)電機(jī)性能以及設(shè)計(jì)柔性可穿戴自供能傳感系統(tǒng)提供了新策略（Nat. Commun., 2022, 13:1043.; Nano Energy, 2022, 99, 107356.）。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202304099

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