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蘇州納米所張珽研究團隊在基于化學勢能作用的自供能柔性多功能傳感器研究方面取得新進展
2019-08-15| 文章来源:國際實驗室 李連輝| 【

  近年來,柔性電子可在人體皮膚表面實現穿戴式實時信號采集和處理,已成爲運動健康管理、疾病診斷監護、環境監測、人機智能交互等領域變革式科學技術及各個國家重要的戰略性新興産業柔性自供能多功能傳感系統是可穿戴電子非常有前景的發展方向之一。盡管自供能集成器件得到了廣泛關注,但是具有良好柔性、輕量化、適應性好的傳感系統依然被迫切需求。化學勢能廣泛存在于自發的擴散過程,例如:離子擴散、電荷扩散等,非常有希望应用于自供能可穿戴电子系统。近年来的研究虽然已经实现了对化學勢能的收集,但是如何与柔性可穿戴传感结合,实现快速有效的驱动系统工作仍是目前亟需解决的难题。 

  針對上述需求中科院蘇州納米所張珽研究團隊發展一種新型基于化學勢能作用濕度驅動自供能柔性多功能傳感系統。該自供能傳感系統對濕度和壓力均具有高的靈敏度,可以爲人的生理信號提供實時的監測。 

  1. 驱动的柔性自供能传感系统用于人体生理信号监测的示意圖。 

   多巴胺(DA)是一種重要的人类激素和神经递质,它的聚合是一个复杂的氧化还原过程,包括邻苯二酚和邻醌结构的可逆转换。基于不对称电化学氧化还原反应4V 30s 85%RH可以在電極之間構建梯度分布的鄰苯二酚和鄰醌結構,通過極化處理實現了在PDA薄膜上羟基的梯度分布,为利用环境濕度获取化學勢能进行发电提供了新思路。研究團隊將聚多巴胺(PDA功能化墨水直接噴印在印有雙螺旋電極的柔性PET襯底上。由于溶)的快速蒸發,得到的PDA薄膜具有多孔的結構~1 μm,促進了器件對環境水分的快速捕獲和PDA內部的質子解離釋放梯度分布的H+,産生開路電壓達到0.52 V,短路電流密度 3.1 mA cm-2 

  2. a. 高濕度环境下极化处理PDA示意圖。b. 極化後的g-PDA柔性自供能器件示意圖。1電極爲施加極化電壓的陽極,2電極爲陰極。c.靠近12電極區域的PDA薄膜红外谱圖。d. 靠近12電極區域的PDA薄膜表面C元素高分辨XPS谱圖。 

  3. a. g-PDA柔性自供能器件在ΔRH分別爲30%, 50%, 70%, 90%时产生的開路电压信号。b. g-PDA自供能器件在不同外接電阻下的有效輸出功率(ΔRH=90%)。c. g-PDA自供能器件对濕气的响应和恢复时间(ΔRH=50%)。d. g-PDA自供能器件在恒定ΔRH=50%条件下的開路电压信号。 

  結合本課題組前期工作(Adv. Mater. 2014, 26, 1336–1342),在上述濕气驱动的g-PDA自供能器件背面组装上有微纳结构的高灵敏柔性压力传感器,并与之串联构成自供能压力传感系统。該自供能傳感系統既可以对环境濕度快速响应,也可以在纳米发电机的驱动下对压力进行灵敏感知,实现对人的生理信号(呼吸、脉搏等)的监测,为未来自供能传感系统提供了新的思路。 

  4. a.自供能傳感系統貼附于腕部的光學照片。b.自供能传感系统的实时电流信号,濕度由人吹气提供,测试连接AB端。c.自供能傳感系統監測呼吸。d-e.c圖中时间-電流曲線的傅裏葉變換信號。 

  以上相關成果發表在Nano Letters上(DOI:10.1021/acs.nanolett.9b02081)。論文第一作者是中科院蘇州納米所博士生李連輝,納米所趙志剛研究團隊在材料表征方面參與合作,通訊作者爲張珽研究員。 

 
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