基於化學勢能作用的自供能柔性多功能感測器研究獲進展

近年來，柔性電子可在人體皮膚表面實現穿戴式實時信號採集和處理，已成為運動健康管理、疾病診斷監護、環境監測、人機智能交互等領域變革式的科學技術及各個國家重要的戰略性新興產業。柔性自供能多功能感測系統是可穿戴電子非常有前景的發展方向之一。儘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、適應性好的感測系統依然被迫切需求。化學勢能廣泛存在於自發的擴散過程，例如：離子擴散、電荷擴散等，非常有希望應用於自供能可穿戴電子系統。近年來的研究雖然已經實現了對化學勢能的收集，但是如何與柔性可穿戴感測結合，實現快速有效的驅動系統工作仍是目前亟需解決的難題。

針對上述需求，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所張珽團隊發展了一種新型基於化學勢能作用的濕度驅動自供能柔性多功能感測系統。該自供能感測系統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時的監測。

多巴胺（DA）是一種重要的人類激素和神經遞質，它的聚合是一個複雜的氧化還原過程，包括鄰苯二酚和鄰醌結構的可逆轉換。基於不對稱電化學氧化還原反應（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，通過此極化處理實現了在PDA薄膜上羥基的梯度分布，為利用環境濕度獲取化學勢能進行發電提供了新思路。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。由於溶劑（水）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 ，產生開路電壓達到0.52 V，短路電流密度3.1 mA cm-2。

結合該課題組前期工作（Adv. Mater.2014, 26, 1336–1342），在上述濕氣驅動的g-PDA自供能器件背面組裝上有微納結構的高靈敏柔性壓力感測器，並與之串聯構成自供能壓力感測系統。該自供能感測系統既可以對環境濕度快速響應，也可以在納米發電機的驅動下對壓力進行靈敏感知，實現對人的生理信號（呼吸、脈搏等）的監測，為未來自供能感測系統提供了新的思路。

以上相關成果發表在Nano Letters上（DOI:10.1021/acs.nanolett.9b02081）。論文第一作者是蘇州納米所博士生李連輝，蘇州納米所趙志剛團隊在材料表徵方面參與合作，通訊作者為張珽。

圖1. 濕度驅動的柔性自供能感測系統用於人體生理信號監測的示意圖。

圖2. a. 高濕度環境下極化處理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電極區域的PDA薄膜紅外譜圖。d. 靠近1和2電極區域的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和恢復時間（ΔRH=50%）。d. g-PDA自供能器件在恆定ΔRH=50%條件下的開路電壓信號。

圖4. a.自供能感測系統貼附於腕部的光學照片。b.自供能感測系統的實時電流信號，濕度由人吹氣提供，測試連接AB端。c.自供能感測系統監測呼吸。d-e.c圖中時間-電流曲線的傅里葉變換信號。

來源：中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所

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