可穿戴电子的柔性强韧水伏离子传感器

一、研究背景：

由于构成水伏器件的功能化纳米材料间缺乏有效的绑定机制，严重制约了蒸发驱动的水伏效应在可穿戴传感电子领域的应用。在不牺牲纳米通道结构和表面功能特性的前提下，显著提高水伏器件的机械强度和柔性以满足可穿戴需求是实现水伏效应在可穿戴电子领域广泛应用所面临的重大挑战之一。另一方面，基于具有交叠双电层纳米通道的水伏器件在产电之外还具有离子传感的潜力，然而目前研究大多都聚焦于水伏产电性能的提升，水伏离子传感却被忽视。

(相关资料图)

二、文章简介：

近期，中科院苏州纳米所张珽研究员团队报道了一种用于柔性可穿戴电子的强韧水伏离子传感器。相关研究成果发表在Advanced Materials期刊上。文章第一作者是中科院苏州纳米所副研究员李连辉和硕士研究生郑卓，通讯作者为张珽研究员。

图1 用于可穿戴电子的柔性强韧PAN/Al2O3水伏器件的材料、结构及水循环示意图

三、研究内容：

利用高分子聚丙烯腈（PAN）对氧化铝（Al2O3）纳米颗粒进行强力的串联和绑定（图1，图2A-C），使其形成的多孔薄膜具有出色的柔性和机械抗冲击特性，可以经受超过180°的弯曲和9.92 m/s的高速水流冲击（图2D-F）。更为重要的是，PAN结构稳定机制的引入也未对Al2O3形成的纳米通道结构和表面Zeta电位造成限制。基于该柔性强韧PAN/Al2O3薄膜的水伏离子传感器件展现了高达3.18 V的最大开路电压（去离子水中）（图3）和10⁻⁴-10⁰ M的离子浓度传感范围（图4）。进一步，通过接触和非接触式水分收集器件结构设计，成功的将其应用于可穿戴多功能传感器供能和自驱动汗液电解质传感器的构建，实现了基于水伏效应的运动健康监测（图5）。

图2 柔性强韧PAN/Al2O3水伏薄膜的结构及其结构强度表征

图3 基于柔性强韧PAN/Al2O3薄膜的水伏器件的产电性能

图4 柔性强韧水伏离子传感器的离子传感性能

图5 基于柔性强韧水伏离子传感器的可穿戴应用

四、结论与展望：

该项研究工作突破了传统水伏器件中功能化纳米颗粒组装中的机械脆性限制，并同时实现了高性能水伏产能和水伏离子传感，为蒸发驱动的水伏效应应用于可穿戴传感领域提出了创新思路。

论文信息：https://doi.org/10.1002/adma.202304099

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