中科院苏州纳米所张珽研究员团队 AM：一种用于可穿戴电子的柔性强韧水伏离子传感器

2023-07-07 来源：高分子科技

由于构成水伏器件的功能化纳米材料间缺乏有效的绑定机制，严重制约了蒸发驱动的水伏效应在可穿戴传感电子领域的应用。在不牺牲纳米通道结构和表面功能特性的前提下，显著提高水伏器件的机械强度和柔性以满足可穿戴需求是实现水伏效应在可穿戴电子领域广泛应用所面临的重大挑战之一。另一方面，基于具有交叠双电层纳米通道的水伏器件在产电之外还具有离子传感的潜力，然而目前研究大多都聚焦于水伏产电性能的提升，水伏离子传感却被忽视。

图1. 用于可穿戴电子的柔性强韧PAN/Al₂O₃水伏器件的材料、结构及水循环示意图。

近期，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张珽研究员团队报道了一种用于柔性可穿戴电子的强韧水伏离子传感器。利用高分子聚丙烯腈（PAN）对氧化铝（Al₂O₃）纳米颗粒进行强力的串联和绑定（图1，图2A-C），使其形成的多孔薄膜具有出色的柔性和机械抗冲击特性，可以经受超过180°的弯曲和9.92 m s^-1的高速水流冲击（图2D-F）。更为重要的是，PAN结构稳定机制的引入也未对Al₂O₃形成的纳米通道结构和表面Zeta电位造成限制。基于该柔性强韧PAN/Al₂O₃薄膜的水伏离子传感器件展现了高达3.18 V的最大开路电压（去离子水中）（图3）和10^-4-10⁰ M的离子浓度传感范围（图4）。进一步，通过接触和非接触式水分收集器件结构设计，成功的将其应用于可穿戴多功能传感器供能和自驱动汗液电解质传感器的构建，实现了基于水伏效应的运动健康监测（图4）。该项研究工作突破了传统水伏器件中功能化纳米颗粒组装中的机械脆性限制，并同时实现了高性能水伏产能和水伏离子传感，为蒸发驱动的水伏效应应用于可穿戴传感领域提出了创新思路。该工作以“A flexible tough hydrovoltaic coating for wearable sensing electronics”为题发表在《Advanced Materials》上（10.1002/adma.202304099）。文章第一作者是中科院纳米所副研究员李连辉和硕士研究生郑卓，通讯作者为张珽研究员。该研究得到了国家自然科学基金的支持。

图2. 柔性强韧PAN/Al₂O₃水伏薄膜的结构及其结构强度表征。

图3. 基于柔性强韧PAN/Al₂O₃薄膜的水伏器件的产电性能。

图4.柔性强韧水伏离子传感器的离子传感性能。

图5. 基于柔性强韧水伏离子传感器的可穿戴应用。

该工作是团队近期关于高性能柔性水伏自驱动传感相关研究的最新进展之一。近年来，团队始终聚焦于高性能水伏器件设计制备及其在柔性可穿戴传感领域的应用：利用超吸水凝胶构建了便携式蒸发驱动水伏发电机，突破了水伏发电机固定水槽的束缚，使水伏器件作为可穿戴电子设备的柔性电源平台用于驱动柔性电子器件（Nano Energy, 2020, 72, 104663.; Nano Lett. 2019, 19, 5544?5552.）; 从热能捕获和能量传导的角度构建了具有光热转换和热传导增强的蒸发驱动水伏器件，为打破环境桎梏提升水伏发电机性能以及设计柔性可穿戴自供能传感系统提供了新策略（Nat. Commun., 2022, 13:1043.; Nano Energy, 2022, 99, 107356.）。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202304099

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（责任编辑：xu）

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