北京化工大學利用導電有機水凝膠為柔性應變傳感器供電

導電水凝膠( CHs) 憑借其出色的理化特性(例如大的可拉伸性和高電導率)在柔性應變傳感器和可拉伸的摩擦電納米發(fā)電機(TENGs)的設計中得到了強調。然而，以水溶劑為分散介質，CHs的偶然凍結和干燥行為大大限制了它們的應用范圍。

最近 ， 北京化工大學 萬鵬博教授 /鄭州大學 代坤教授 團隊 通過簡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) ，而不會犧牲拉伸性和導電性。 有機水凝膠具有超寬的應變感應范圍(0–4196%)，具有8.5的高靈敏度， 可以有效地檢測和區(qū)分在各種條件下溫和或劇烈的人類活動。此外，有機水凝膠在單電極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備供電的堅固性 。這項工作為多功能有機水凝膠開辟了一條簡單的途徑，并有望在極端環(huán)境中實際應用柔性且自供電的可穿戴設備。 相關論文以題為 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下的應力-應變曲線。c)-60至20°C的MMCOH的電導率。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的凝膠儲存時間的重量。f)MMCH和MMCOH的電導率隨正常環(huán)境下30天的存儲時間而變化。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 值與施加的應變的關系。b)拉伸變形時傳感器的感應機制示意圖。c)GF和可行菌株與文獻的比較。d)傳感器的動態(tài)逐步循環(huán)測試。e)應變感測性能從0%到10%再回到0的一個周期，在不同應變下保持10 s。f)在2000個循環(huán)內對傳感器進行耐久性測試(拉伸速率400 mm min-1，應變200%)。g)傳感器在 ? 60°C下存儲6 h后對逐步循環(huán)載荷的實時響應。h)MMCOH傳感器在-60°C下存儲6 h后，在100個裝卸循環(huán)中的響應。i)在正常環(huán)境下放置30天的傳 感器對逐步循環(huán)載荷的動態(tài)響應。 j)MMCOH傳感器在正常環(huán)境下放置30天后，在200個裝卸循環(huán)中的響應。

圖4 演示用于檢測人類活動的耐環(huán)境傳感器( a)語音識別，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，以及相應的壓力分布，d2)2D映射和d3)3D映射(來自感應響應)。e1)手指觸摸的E皮膚照片，以及相應的壓力分布，e2)2D映射，以及e3)3D映射(來自感應響應)。f1)重量為1 kg的電子皮膚的照片，以及相應的壓力分布。f2)2D映射和f3)3D映射來自感測響應。

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的長期穩(wěn)定性測試。f)儲存2個月后，AOH-TENG的Isc在不同的拉伸狀態(tài)下。g)儲存2個月后，在300%應變下的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)驅動便攜式電子設備的AOH-TENG的照片。h)演示可穿戴AOH-TENG在低于零溫度下的實際應用。i)AOH‐TENG在-60至60°C的溫度下的電氣輸出性能。

【總結】

團隊通過簡便的溶劑替代策略設計并制造了一種具有抗凍，抗干燥和長期環(huán)境穩(wěn)定性的綜合特性的新型多功能柔性納米復合有機水凝膠。 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)境中放置長達30天。基于MMCOH的傳感器在寬應變檢測范圍(0–4196%)中具有高靈敏度，出色的可靠性和耐用性(最多2000個循環(huán))。 防凍傳感器也可以用作可穿戴電子設備，即使在低溫下也可以檢測和區(qū)分人體運動。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%應變)也具有可靠的穩(wěn)定性。此外，事實證明，AOH-TENG是一種收集機械能直接為便攜式電子設備供電的可行策略。這項工作為低溫傳感器和實際柔性電源的潛在多功能應用提供了新穎的見解。