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大連工業大學王海松教授團隊 AFM:纖維素基水凝膠傳感器新進展
2025-01-20  來源:高分子科技

  隨著物聯網以及人工智能在現實生活中的逐步普及,可穿戴柔性傳感器因其簡單的制造工藝和成熟的信號處理技術引起了廣泛關注。其中,纖維素基水凝膠傳感系統由于具有獨特的三維結構、可生物降解性以及良好的機械性能等優勢,是目前柔性可穿戴器件的研究熱點。然而,傳統植物纖維材料易縮水和低導電性極大地限制了其在柔性傳感器件領域的應用和普及;诖耍ㄟ^結構設計改善植物纖維基傳感器的導電性和靈敏度,并應用于摩擦電納米發電機、超級電容器和傳感器組成的柔性集成傳感微系統具有重要意義。


  近日,大連工業大學輕工與化學工程學院生物基纖維材料與化學品團隊利用d-π共軛策略提高2D MOF的電導率增強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為題發表于《Advanced Functional Materials》。



  二維金屬有機框架(2D MOF)具有較高的電導率,而原子軌道相關的調控對于促進傳感應用中的電子轉移動力學至關重要。本研究利用d-π共軛策略進一步提高2D MOF的電導率并成功用于纖維素基水凝膠傳感器。實驗選擇具有大共軛體系的酞菁(Pc)分子來修飾2D MOF,通過密度泛函理論(DFT)模擬,發現2D MOFPc之間的強d-π共軛作用可以顯著提高2D MOF中過渡金屬Co中低能軌道(dxy)能級,這主要是因為Pc2D MOF單元的離域π電子排斥原來的dxy電子,從而促進了2D MOF@Pc中的電子轉移。結果表明,2D MOF@Pc纖維素基導電水凝膠由于增強的電子轉移動力學而實現了78 S m?1的最高電導率。本文研究工作為解決2D MOF納米片在植物纖維基傳感領域中固有的低電導率問題提出了一種漸進的有效調控策略。


1. DFT模擬2D MOFPc之間的強d-π共軛作用以及dxy的軌道能級提升示意圖


圖2. 2D MOF@Pc導電纖維素基水凝膠的應變傳感性能



3. 2D MOF@Pc導電纖維素基水凝膠在水下運動監測中的應用


  研究結論:本文用Pc修飾2D MOF以調節低能軌道dxy的軌道能級,2D MOF@Pc獲得了更高的電導率。2D MOF@Pc制備的纖維素基水凝膠作為摩擦電納米發電機、超級電容器和傳感器模塊的關鍵部件,組裝的自供電傳感微系統的整體性能得到了加強,靈敏度提高了75%。這項工作不僅為提高2D MOF的電導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展到其他先進電極材料的設計。


  研究得到國家自然科學基金項目和遼寧省高;A研究基金資助。大連工業大學2021級生物質能源與材料專業博士研究生岳嘉繼為論文第一作者,大連工業大學王海松教授、杜健副教授和加拿大卡爾加里大學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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(責任編輯:xu)
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