虽然准固态离子热电(i-TE)材料由于廉价、无泄漏、可扩展、不需额外供电等优势已被广泛应用于人体可穿戴领域,但在使用过程中有限温差给 i-TE 凝胶的广泛应用带来了挑战。近期,太原理工大学信息与计算机学院张虎林教授团队制备了一种光驱动柔性热电水凝胶。聚合物网络由PVA链和PDMS纳米颗粒组成的,通过一锅合成法和冻融法将Fe2+/3+和聚合物网络制备成热伏凝胶,耦合凝胶的热电效应和AuNPs@SiO2-PDMS复合薄膜的局部表面等离子体共振效应(LSPR),来用于无源可穿戴人体运动识别。
图1. 用于热感应的光-热-电设备示意图
图2. AuNPs@SiO2-PDMS复合薄膜的制备及其光热特性。
图3. 水凝胶的热电特性和机械特性
图4. 光-热-电贴片用于人体运动检测的应用展示
本研究设计了具有良好机械性能的高效光热层和热电水凝胶层的结构。当 PDMS含量为5%时,TE凝胶具有1.46 mV K-1的高塞贝克系数和0.98 W m-1K-1 的低热导率。使用AuNPs@SiO2-PDMS 薄膜组装的PT 凝胶具有快速的光热响应和较大的电流输出。此外,该凝胶还被制成了概念验证贴片,可通过识别手臂摆动所刺激的太阳辐射开关,实时主动分辨人体运动,实现远程监控。这项工作不仅提供了一种用于非接触控制的PTE贴片,还可以与治疗设备相结合,自适应地调节人体生理状态。相关成果以“Thermogalvanic gel patch for self-powered human motion recognition enabled by photo-thermal-electric conversion”为题发表在《Chemical Engineering Journal》(IF=15.1)上。文章第一作者是太原理工大学硕士研究生杨航。通讯作者为张虎林教授,该研究得到了山西省自然科学基金以及山西省科技合作与交流专项的支持。在过去的两年中,张虎林教授团队制备了一系列基于不同聚合物网络和氧化还原对的热电凝胶器件,并致力于开拓凝胶热电器件的应用场景,取得了一系列的研究成果,具体详见:基于热电凝胶的无源信息转换系统(Nano Energy, 2023, 113, 108612, Compos. Sci. Tech., 2023, 239, 110077, Nano Energy, 2023, 106, 108077),用于热能管理和热回收的无水热电凝胶(ACS Appl. Polym. Mater., 2023, 10.1021/acsapm.3c00481),基于深度学习算法的婴儿智能监护系统(Adv. Funct. Mater., 2022, 32, 2204803),太阳能热能收集器件(Nano Energy, 2022, 100, 107449,Sens. Actuat. A-Phys., 2023, 354, 114305),无源呼吸、体温等体征监测策略(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2022, 14, 48743,ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13, 37306,J. Mater. Chem. C, 2022,10,13789,Nano Res., 2023, 10.1007/s12274-023-5621-2)等。
原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.145247
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