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大連工業(yè)大學(xué)王海松教授團(tuán)隊(duì) AFM：纖維素基水凝膠傳感器新進(jìn)展
2025-01-20  來(lái)源：高分子科技
關(guān)鍵詞：纖維素 水凝膠 傳感器

  隨著物聯(lián)網(wǎng)以及人工智能在現(xiàn)實(shí)生活中的逐步普及，可穿戴柔性傳感器因其簡(jiǎn)單的制造工藝和成熟的信號(hào)處理技術(shù)引起了廣泛關(guān)注。其中，纖維素基水凝膠傳感系統(tǒng)由于具有獨(dú)特的三維結(jié)構(gòu)、可生物降解性以及良好的機(jī)械性能等優(yōu)勢(shì)，是目前柔性可穿戴器件的研究熱點(diǎn)。然而，傳統(tǒng)植物纖維材料易縮水和低導(dǎo)電性極大地限制了其在柔性傳感器件領(lǐng)域的應(yīng)用和普及。基于此，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改善植物纖維基傳感器的導(dǎo)電性和靈敏度，并應(yīng)用于摩擦電納米發(fā)電機(jī)、超級(jí)電容器和傳感器組成的柔性集成傳感微系統(tǒng)具有重要意義。


  近日，大連工業(yè)大學(xué)輕工與化學(xué)工程學(xué)院生物基纖維材料與化學(xué)品團(tuán)隊(duì)利用d-π共軛策略提高2D MOF的電導(dǎo)率增強(qiáng)纖維素基水凝膠傳感器靈敏度，研究成果以“Tuning the dxy Orbital Energy Level in 2D Cobalt-Organic-Framework via in-Plane Conjugated Phthalocyanine for Self-Powered Sensing”為題發(fā)表于《Advanced Functional Materials》。



  二維金屬有機(jī)框架(2D MOF)具有較高的電導(dǎo)率，而原子軌道相關(guān)的調(diào)控對(duì)于促進(jìn)傳感應(yīng)用中的電子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)至關(guān)重要。本研究利用d-π共軛策略進(jìn)一步提高2D MOF的電導(dǎo)率并成功用于纖維素基水凝膠傳感器。實(shí)驗(yàn)選擇具有大共軛體系的酞菁(Pc)分子來(lái)修飾2D MOF，通過(guò)密度泛函理論(DFT)模擬，發(fā)現(xiàn)2D MOF與Pc之間的強(qiáng)d-π共軛作用可以顯著提高2D MOF中過(guò)渡金屬Co中低能軌道(dxy)能級(jí)，這主要是因?yàn)?/span>Pc到2D MOF單元的離域π電子排斥原來(lái)的dxy電子，從而促進(jìn)了2D MOF@Pc中的電子轉(zhuǎn)移。結(jié)果表明，2D MOF@Pc纖維素基導(dǎo)電水凝膠由于增強(qiáng)的電子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)而實(shí)現(xiàn)了78 S m?1的最高電導(dǎo)率。本文研究工作為解決2D MOF納米片在植物纖維基傳感領(lǐng)域中固有的低電導(dǎo)率問題提出了一種漸進(jìn)的有效調(diào)控策略。


圖1. DFT模擬2D MOF與Pc之間的強(qiáng)d-π共軛作用以及dxy的軌道能級(jí)提升示意圖


圖2. 2D MOF@Pc導(dǎo)電纖維素基水凝膠的應(yīng)變傳感性能



圖3. 2D MOF@Pc導(dǎo)電纖維素基水凝膠在水下運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用


  研究結(jié)論：本文用Pc修飾2D MOF以調(diào)節(jié)低能軌道dxy的軌道能級(jí)，2D MOF@Pc獲得了更高的電導(dǎo)率。2D MOF@Pc制備的纖維素基水凝膠作為摩擦電納米發(fā)電機(jī)、超級(jí)電容器和傳感器模塊的關(guān)鍵部件，組裝的自供電傳感微系統(tǒng)的整體性能得到了加強(qiáng)，靈敏度提高了75%。這項(xiàng)工作不僅為提高2D MOF的電導(dǎo)率及纖維素基凝膠傳感器靈敏度提供了理論支撐，這種有效的策略還可以擴(kuò)展到其他先進(jìn)電極材料的設(shè)計(jì)。


  研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和遼寧省高；A(chǔ)研究基金資助。大連工業(yè)大學(xué)2021級(jí)生物質(zhì)能源與材料專業(yè)博士研究生岳嘉繼為論文第一作者，大連工業(yè)大學(xué)王海松教授、杜健副教授和加拿大卡爾加里大學(xué)胡勁光副教授為論文通訊作者。


  文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202418474

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