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中科院蘇州納米所張珽研究員團隊 AM：一種用于可穿戴電子的柔性強韌水伏離子傳感器

2023-07-07 來源：高分子科技

由于構成水伏器件的功能化納米材料間缺乏有效的綁定機制，嚴重制約了蒸發驅動的水伏效應在可穿戴傳感電子領域的應用。在不犧牲納米通道結構和表面功能特性的前提下，顯著提高水伏器件的機械強度和柔性以滿足可穿戴需求是實現水伏效應在可穿戴電子領域廣泛應用所面臨的重大挑戰之一。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韌PAN/Al₂O₃水伏器件的材料、結構及水循環示意圖。

近期，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所張珽研究員團隊報道了一種用于柔性可穿戴電子的強韌水伏離子傳感器。利用高分子聚丙烯腈（PAN）對氧化鋁（Al₂O₃）納米顆粒進行強力的串聯和綁定（圖1，圖2A-C），使其形成的多孔薄膜具有出色的柔性和機械抗沖擊特性，可以經受超過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結構穩定機制的引入也未對Al₂O₃形成的納米通道結構和表面Zeta電位造成限制。基于該柔性強韌PAN/Al₂O₃薄膜的水伏離子傳感器件展現了高達3.18 V的最大開路電壓（去離子水中）（圖3）和10^-4-10⁰ M的離子濃度傳感范圍（圖4）。進一步，通過接觸和非接觸式水分收集器件結構設計，成功的將其應用于可穿戴多功能傳感器供能和自驅動汗液電解質傳感器的構建，實現了基于水伏效應的運動健康監測（圖4）。該項研究工作突破了傳統水伏器件中功能化納米顆粒組裝中的機械脆性限制，并同時實現了高性能水伏產能和水伏離子傳感，為蒸發驅動的水伏效應應用于可穿戴傳感領域提出了創新思路。該工作以“A flexible tough hydrovoltaic coating for wearable sensing electronics”為題發表在《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。該研究得到了國家自然科學基金的支持。

圖2. 柔性強韌PAN/Al₂O₃水伏薄膜的結構及其結構強度表征。

圖3. 基于柔性強韌PAN/Al₂O₃薄膜的水伏器件的產電性能。

圖4.柔性強韌水伏離子傳感器的離子傳感性能。

圖5. 基于柔性強韌水伏離子傳感器的可穿戴應用。

該工作是團隊近期關于高性能柔性水伏自驅動傳感相關研究的最新進展之一。近年來，團隊始終聚焦于高性能水伏器件設計制備及其在柔性可穿戴傳感領域的應用：利用超吸水凝膠構建了便攜式蒸發驅動水伏發電機，突破了水伏發電機固定水槽的束縛，使水伏器件作為可穿戴電子設備的柔性電源平臺用于驅動柔性電子器件（Nano Energy, 2020, 72, 104663.; Nano Lett. 2019, 19, 5544?5552.）; 從熱能捕獲和能量傳導的角度構建了具有光熱轉換和熱傳導增強的蒸發驅動水伏器件，為打破環境桎梏提升水伏發電機性能以及設計柔性可穿戴自供能傳感系統提供了新策略（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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（責任編輯：xu）

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