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- 基于化學(xué)勢能作用的自供能柔性多功能傳感器研究獲進(jìn)展
- 來源：蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所 發(fā)表于 2022/10/14
近年來，柔性電子可在人體皮膚表面實(shí)現(xiàn)穿戴式實(shí)時信號采集和處理，已成為運(yùn)動健康管理、疾病診斷監(jiān)護(hù)、環(huán)境監(jiān)測、人機(jī)智能交互等領(lǐng)域變革式的科學(xué)技術(shù)及各個國家重要的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。柔性自供能多功能傳感系統(tǒng)是可穿戴電子非常有前景的發(fā)展方向之一。盡管自供能集成器件得到了廣泛關(guān)注，但是具有良好柔性、輕量化、適應(yīng)性好的傳感系統(tǒng)依然被迫切需求�；瘜W(xué)勢能廣泛存在于自發(fā)的擴(kuò)散過程，例如：離子擴(kuò)散、電荷擴(kuò)散等，非常有希望應(yīng)用于自供能可穿戴電子系統(tǒng)。近年來的研究雖然已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對化學(xué)勢能的收集，但是如何與柔性可穿戴傳感結(jié)合，實(shí)現(xiàn)快速有效的驅(qū)動系統(tǒng)工作仍是目前亟需解決的難題。
針對上述需求，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張珽團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種新型基于化學(xué)勢能作用的濕度驅(qū)動自供能柔性多功能傳感系統(tǒng)。該自供能傳感系統(tǒng)對濕度和壓力均具有高的靈敏度，可以為人的生理信號提供實(shí)時的監(jiān)測。
多巴胺（DA）是一種重要的人類激素和神經(jīng)遞質(zhì)，它的聚合是一個復(fù)雜的氧化還原過程，包括鄰苯二酚和鄰醌結(jié)構(gòu)的可逆轉(zhuǎn)換�；诓粚ΨQ電化學(xué)氧化還原反應(yīng)（4V 30s 85%RH）可以在電極之間構(gòu)建梯度分布的鄰苯二酚和鄰醌結(jié)構(gòu)，通過此極化處理實(shí)現(xiàn)了在PDA薄膜上羥基的梯度分布，為利用環(huán)境濕度獲取化學(xué)勢能進(jìn)行發(fā)電提供了新思路。研究團(tuán)隊(duì)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。由于溶劑（水）的快速蒸發(fā)，得到的PDA薄膜具有多孔的結(jié)構(gòu)（~1 μm），促進(jìn)了器件對環(huán)境水分的快速捕獲和PDA內(nèi)部的質(zhì)子解離，釋放梯度分布的H+，產(chǎn)生開路電壓達(dá)到0.52 V，短路電流密度3.1 mA cm-2。
結(jié)合該課題組前期工作（Adv. Mater. 2014, 26, 1336–1342），在上述濕氣驅(qū)動的g-PDA自供能器件背面組裝上有微納結(jié)構(gòu)的高靈敏柔性壓力傳感器，并與之串聯(lián)構(gòu)成自供能壓力傳感系統(tǒng)。該自供能傳感系統(tǒng)既可以對環(huán)境濕度快速響應(yīng)，也可以在納米發(fā)電機(jī)的驅(qū)動下對壓力進(jìn)行靈敏感知，實(shí)現(xiàn)對人的生理信號（呼吸、脈搏等）的監(jiān)測，為未來自供能傳感系統(tǒng)提供了新的思路。
以上相關(guān)成果發(fā)表在Nano Letters上（DOI:10.1021/acs.nanolett.9b02081）。論文第一作者是蘇州納米所博士生李連輝，蘇州納米所趙志剛團(tuán)隊(duì)在材料表征方面參與合作，通訊作者為張珽。
圖1. 濕度驅(qū)動的柔性自供能傳感系統(tǒng)用于人體生理信號監(jiān)測的示意圖。
圖2. a. 高濕度環(huán)境下極化處理PDA示意圖。b. 極化后的g-PDA柔性自供能器件示意圖。1電極為施加極化電壓的陽極，2電極為陰極。c.靠近1和2電極區(qū)域的PDA薄膜紅外譜圖。d. 靠近1和2電極區(qū)域的PDA薄膜表面C元素高分辨XPS譜圖。
圖3. a. g-PDA柔性自供能器件在ΔRH分別為30%, 50%, 70%,和 90%時產(chǎn)生的開路電壓信號。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自供能器件對濕氣的響應(yīng)和恢復(fù)時間（ΔRH=50%）。d. g-PDA自供能器件在恒定ΔRH=50%條件下的開路電壓信號。
圖4. a.自供能傳感系統(tǒng)貼附于腕部的光學(xué)照片。b.自供能傳感系統(tǒng)的實(shí)時電流信號，濕度由人吹氣提供，測試連接AB端。c.自供能傳感系統(tǒng)監(jiān)測呼吸。d-e.c圖中時間-電流曲線的傅里葉變換信號。
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