广州大学化学化工学院、广东省节能环保精细化学品工程技术研究开发中心刘鹏副教授所在团队以淀粉水凝胶为基材，构建了具有应变响应的柔性电池和自供电柔性传感材料，相关工作以All-Starch-Based Hydrogel for Flexible Electronics: Strain-Sensitive Batteries and Self-Powered Sensors为题，发表于国际学术期刊《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》。文章第一作者是广州大学化学化工学院硕士研究生马聪，通讯作者为广州大学的刘鹏副教授、汪黎明教授和英国纽卡斯尔大学谢丰蔚副教授。

  近年来，柔性电子设备逐渐受到人们的关注。其柔韧的机械灵活性，不仅在人体传感、智能设备、健康监测领域有广泛应用，更可以辅以物联网、云空间等技术，对数据进行实时采集，进一步优化医疗、健康等领域的数据准确性。相较于合成高分子，糊精、明胶、壳聚糖、淀粉和木质素等天然高分子具有可再生、环境友好、生物安全性高且价格低等优势，因而制备全生物基柔性电子设备一直是研究的热点领域。其中淀粉由于其较好的凝胶性能和低廉的市场价格而备受关注。

  课题组基于对高直链淀粉解构和重组形成水凝胶过程的研究，设计在淀粉凝胶中构建原电池的电极反应：在解构后的淀粉溶胶中引入具有电势差的阳离子和金属颗粒，通过两个半反应在凝胶中形成完整的原电池反应。其具体的电极反应式如下：

  阳极：M ? 2e^? = M ²⁺（M代表锌、铁、锡金属粉末）

  阴极：Cu²⁺ + 2e^? = Cu

  利用此策略制备的淀粉基柔性电池，可以对外输出电流，点亮LED灯泡，同时由于电池具有一定的柔性，在外力作用下会发生形变导致电池内阻发生变化，从而使输出电流发生变化，表现出应变响应性。在10%应变下，输出电流的变化(ΔI/I₀)约为16%，40%应变对应300%的电流变化；10 kPa压力对应电流变化为18%，300 kPa压力对应300%。同时在20%的循环压缩形变下，持续1000次后依然可以保持输出电流的应变响应性。

图1：淀粉基电池实物、放电性、应变响应性及其结构示意图

  在此基础上，课题组将电池制成薄片状，与碳布贴合，制得了一种淀粉基柔性自供电传感材料。传感材料可被弯曲、折叠或扭曲，且无需外接电源，即可凭借自身的放电及形变敏感性产生显著的电流变化信号。其可以测得低至10kPa的应力，同时具有1.53 kPa^?1的高灵敏度。将其用于传感测试，可以精确测量脉搏的跳动信号，不同音节的喉部发声振动，亦可识别手指弯曲、脚步运动等常见运动的幅度大小。

图2：淀粉基自供电传感器的组装及其传感性能测试

  该研究获得了广东省自然科学基金、广州市科技计划项目（珠江科技新星专项）等项目的资助。

  原文链接：https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.2c00872

  课题组近年来在淀粉水凝胶、淀粉导电、感应材料方面的系列工作发表于ACS Sustainable Chemistry & Engineering、Carbohydrate Polymers等学术期刊：      https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.0c07473https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.9b07726

https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2018.11.034