北京化工大學(xué)利用導(dǎo)電有機(jī)水凝膠為柔性應(yīng)變傳感器供電

導(dǎo)電水凝膠( CHs) 憑借其出色的理化特性(例如大的可拉伸性和高電導(dǎo)率)在柔性應(yīng)變傳感器和可拉伸的摩擦電納米發(fā)電機(jī)(TENGs)的設(shè)計(jì)中得到了強(qiáng)調(diào)。然而，以水溶劑為分散介質(zhì)，CHs的偶然凍結(jié)和干燥行為大大限制了它們的應(yīng)用范圍。

最近 ， 北京化工大學(xué) 萬鵬博教授 /鄭州大學(xué) 代坤教授 團(tuán)隊(duì) 通過簡(jiǎn)單的溶劑替代策略證明了一種耐環(huán)境且可超拉伸的有機(jī)水凝膠，其中合成的 聚丙烯酰胺/蒙脫土/碳納米管水凝膠 中的部分水被甘油替代， 從而具有出色的溫度耐受性(-60至60°C)和良好的穩(wěn)定性(在正常環(huán)境下為30天) ，而不會(huì)犧牲拉伸性和導(dǎo)電性。 有機(jī)水凝膠具有超寬的應(yīng)變感應(yīng)范圍(0–4196%)，具有8.5的高靈敏度， 可以有效地檢測(cè)和區(qū)分在各種條件下溫和或劇烈的人類活動(dòng)。此外，有機(jī)水凝膠在單電極TENG中組裝，即使在500%的可拉伸性下仍顯示出出色的能量收集能力，并且 在惡劣的寒冷條件下也具有直接為可穿戴電子設(shè)備供電的堅(jiān)固性 。這項(xiàng)工作為多功能有機(jī)水凝膠開辟了一條簡(jiǎn)單的途徑，并有望在極端環(huán)境中實(shí)際應(yīng)用柔性且自供電的可穿戴設(shè)備。 相關(guān)論文以題為 Environment Tolerant Conductive Nanocomposite Organohydrogels as Flexible Strain Sensors and Power Sources for Sustainable Electronics 發(fā)表在《 Advanced Functional Materials 》上。

【主圖導(dǎo)讀】

圖1 a)耐環(huán)境的MMCOH的示意圖制造。b)冷凍干燥的MMCH的橫截面SEM圖像。c)MMT，PAM水凝膠，MMCH和MMCOH的FTIR模式。d)MMCH和MMCOH的XRD圖譜。

圖2 MMCOH的環(huán)境耐受性。 a)MMCH和MMCOH的防凍性能照片。b)MMCOH在25和-60°C下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。c)-60至20°C的MMCOH的電導(dǎo)率。d)在正常環(huán)境下放置30天后，MMCH和MMCOH的比較。e)在正常環(huán)境下連續(xù)30天，MMCH和MMCOH的重量變化。W0和Wt分別是初始重量和在相應(yīng)的凝膠儲(chǔ)存時(shí)間的重量。f)MMCH和MMCOH的電導(dǎo)率隨正常環(huán)境下30天的存儲(chǔ)時(shí)間而變化。g)MMCH和MMCOH在60°C下持續(xù)72 h的重量變化。h)MMCH和MMCOH在60°C下72 h的電阻變化。

圖3 a)MMCOH傳感器的ΔR/ R 0 值與施加的應(yīng)變的關(guān)系。b)拉伸變形時(shí)傳感器的感應(yīng)機(jī)制示意圖。c)GF和可行菌株與文獻(xiàn)的比較。d)傳感器的動(dòng)態(tài)逐步循環(huán)測(cè)試。e)應(yīng)變感測(cè)性能從0%到10%再回到0的一個(gè)周期，在不同應(yīng)變下保持10 s。f)在2000個(gè)循環(huán)內(nèi)對(duì)傳感器進(jìn)行耐久性測(cè)試(拉伸速率400 mm min-1，應(yīng)變200%)。g)傳感器在 ? 60°C下存儲(chǔ)6 h后對(duì)逐步循環(huán)載荷的實(shí)時(shí)響應(yīng)。h)MMCOH傳感器在-60°C下存儲(chǔ)6 h后，在100個(gè)裝卸循環(huán)中的響應(yīng)。i)在正常環(huán)境下放置30天的傳 感器對(duì)逐步循環(huán)載荷的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。 j)MMCOH傳感器在正常環(huán)境下放置30天后，在200個(gè)裝卸循環(huán)中的響應(yīng)。

圖4 演示用于檢測(cè)人類活動(dòng)的耐環(huán)境傳感器( a)語音識(shí)別，b)爬樓梯和c)拿著水杯)。d1)由基于MMCOH的5×5像素傳感器組裝而成的皮膚的照片，以及相應(yīng)的壓力分布，d2)2D映射和d3)3D映射(來自感應(yīng)響應(yīng))。e1)手指觸摸的E皮膚照片，以及相應(yīng)的壓力分布，e2)2D映射，以及e3)3D映射(來自感應(yīng)響應(yīng))。f1)重量為1 kg的電子皮膚的照片，以及相應(yīng)的壓力分布。f2)2D映射和f3)3D映射來自感測(cè)響應(yīng)。

圖 5 a)AOH-TENG圖。b)展示AOH-TENG的工作原理的示意圖。c)AOH-TENG的相應(yīng)Voc，Isc和Qsc。d)AOH-TENG的電氣輸出性能隨外部電阻的變化。e)AOH-TENG的長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試。f)儲(chǔ)存2個(gè)月后，AOH-TENG的Isc在不同的拉伸狀態(tài)下。g)儲(chǔ)存2個(gè)月后，在300%應(yīng)變下的1000次拉伸釋放循環(huán)中，AOH-TENG的Isc。

圖6 a)基于AOH-TENG的自充電電源系統(tǒng)的等效電路圖。AOH-TENG的充電能力b)在不同的工作頻率(1-5 Hz)下為1 μF商用電容器充電，以及c)在4 Hz的輸入信號(hào)下為各種電容器(1-47 μF)充電。d)定期用手輕拍AOH-TENG，直接照亮LED的照片。e–g)用于可持續(xù)驅(qū)動(dòng)便攜式電子設(shè)備的AOH-TENG的照片。h)演示可穿戴AOH-TENG在低于零溫度下的實(shí)際應(yīng)用。i)AOH‐TENG在-60至60°C的溫度下的電氣輸出性能。

【總結(jié)】

團(tuán)隊(duì)通過簡(jiǎn)便的溶劑替代策略設(shè)計(jì)并制造了一種具有抗凍，抗干燥和長(zhǎng)期環(huán)境穩(wěn)定性的綜合特性的新型多功能柔性納米復(fù)合有機(jī)水凝膠。 提出的 MMCOH可以在很寬的溫度范圍( ? 60–60°C)中保持出色的拉伸性和良好的導(dǎo)電性，或者由于在水和甘油分子之間形成了牢固的氫鍵，因此可以在正常環(huán)境中放置長(zhǎng)達(dá)30天?；贛MCOH的傳感器在寬應(yīng)變檢測(cè)范圍(0–4196%)中具有高靈敏度，出色的可靠性和耐用性(最多2000個(gè)循環(huán))。 防凍傳感器也可以用作可穿戴電子設(shè)備，即使在低溫下也可以檢測(cè)和區(qū)分人體運(yùn)動(dòng)。作為一種自充電電源系統(tǒng)，單 電極 AOH-TENG表現(xiàn)出良好的能量收集性能，在寬溫度范圍(-60-60°C)甚至在大變形條件下(500%應(yīng)變)也具有可靠的穩(wěn)定性。此外，事實(shí)證明，AOH-TENG是一種收集機(jī)械能直接為便攜式電子設(shè)備供電的可行策略。這項(xiàng)工作為低溫傳感器和實(shí)際柔性電源的潛在多功能應(yīng)用提供了新穎的見解。