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陜科大蔣學教授團隊《Carbohyd. Polym.》:用于濕氣發電和濕度傳感的纖維素基高度有序不對稱蜂窩膜

2022-07-07 來源：高分子科技

近日，陜西科技大學生物質化學與功能材料團隊蔣學教授/陳婷博士生等人報道了一種高度有序不對稱蜂窩結構的纖維素膜，并用于濕度傳感和濕氣發電。相關研究成果發表于高分子領域頂級期刊Carbohydrate Polymers上。

圖1 銀納米線/醋酸纖維素基（AgNWs/CAL）蜂窩膜制備原理圖

隨著柔性可穿戴電子設備的蓬勃發展，已被廣泛應用于運動監測、醫療診斷和保健等領域。濕氣發電機（MEG）可將無處不在的濕氣的化學能轉化為電能，為制造可穿戴電子產品的電源提供了一種簡便、智能、綠色的方法。然而，基于纖維素的MEG中的離子濃度梯度和電場容易塌陷。因此，建立穩定的離子濃度梯度對于提高纖維素基MEG的持續穩定輸出電壓至關重要。不對稱結構在形成濃度梯度以驅動離子在特定方向擴散方面具有很大的潛力。幾種類型的不對稱結構，包括官能團/帶電離子的不對稱分布，不對稱電極和不對稱水分擴散。然而，大多數不對稱的多孔材料是通過復合和表面處理形成的，導致工藝復雜，孔隙無序和尺寸無法控制。本文通過呼吸圖案法制備了一種高度有序的不對稱纖維素基蜂窩膜。不對稱有序多孔結構不僅增加了自由質子濃度梯度，并且縮短了擴散路徑，有效降低了傳質和擴散阻力，顯示了其在高靈敏地濕度傳感和濕氣發電方面的巨大潛力。此外，所設計的AgNWs/CAL蜂窩膜對人體運動顯示出克重復且有規律的電信號，證明該蜂窩膜可以準確地監測人體的關節活動。

圖2 呼吸圖案法制備纖維素基高度有序不對稱蜂窩膜（A）CAL蜂窩膜的掃描電鏡圖和超景深顯微鏡圖；（B）AgNWs/CAL蜂窩膜的SEM圖和電化學性能。

圖3 AgNWs/CAL蜂窩膜的人體運動傳感

AgNWs/CAL蜂窩膜具有良好的柔性，歸因于膜的超薄和可拉伸的蜂窩結構。經AgNWs/CAL蜂窩膜在拉伸-恢復循環（拉伸力逐漸增加）期間產生了明顯的尖銳、可重復的電信號，并且具有高靈敏度。此外，AgNWs/CAL蜂窩膜依次被貼在人體不同的關節（食指關節和手背）上，實現對不同肢體運動的實時監測能力。。

圖4 AgNWs/CAL蜂窩膜的濕度傳感性能和不同相對環境濕度條件下的傳感機制

圖4是在不同相對環境濕度（RH）下AgNWs/CAL蜂窩膜的濕度傳感性能和機制。在低RH下，蜂窩膜表面的親水基團與水分子直接形成氫鍵（圖4（a）），相鄰的氫鍵限制了水分子在低相對濕度下的自由流動，導致電流幾乎恒定，ΔR/R₀的波動范圍很小。當RH達到中等水平時，ΔR/R₀變化較大，水分子開始自由移動并通過Grotthuss質子傳輸機制（H₂O + H⁺ ~ H₃O⁺ 和 H₂O + H₃O⁺ ~ H₃O⁺ + H₂O）破壞原有的氫鍵（圖4 (b)）。當RH增加到90%后，吸附在表面的水分子由于施加的電場而容易電離，質子在相鄰水分子和AgNWs網絡中進行跳躍和擴散（圖4（c））。此外，獨特的蜂窩結構可以加速水分子的吸收和解吸速度，有助于實現AgNWs/CAL膜的高靈敏響應。

圖5 AgNWs/CAL蜂窩膜的濕電轉化性能和機制

圖5是AgNWs/CAL蜂窩膜的濕電轉化性能和機制。控制濕氣流動的速率為30 mL/h,時間為1000 s，C-MEG的輸出電壓（Voc）高達302 mV，且C-MEG的Voc與濕氣之間存在顯著相關性。C-MEG在間歇性濕氣供給下的實時電流密度變化，展示了可重復且有規律的電信號，證明AgNWs/CAL蜂窩膜的多不對稱結構（不對稱電極和不對稱水分擴散通道）和納米傳輸通道的結構設計在纖維素基濕氣發電材料的可靠性。

相關成果以“Highly ordered asymmetric cellulose-based honeycomb membrane for moisture-electricity generation and humidity sensing”為題發表在Carbohydrate Polymers (DOI: )上。陜西科技大學博士研究生陳婷為第一作者，蔣學教授為本論文的通訊作者。

論文DOI鏈接：https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2022.119809

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（責任編輯：xu）

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