用于可穿戴式传感电子装置的柔性坚韧的水伏涂层

研究背景

近年来，从水与各种界面，如液-固界面和液-液界面之间的相互作用中获取水能已经出现了。其中，从蒸发诱导的水流和纳米通道表面之间的直接相互作用中持续产生的电能被认为是蒸发诱导的湿式光伏效应。由于具有自发性、可持续性、几乎无限的资源和绿色的特点，蒸发诱导的湿热效应引起了广泛的关注，并提出了提高能量转换能力的策略，包括结构设计、材料性能调节，甚至热管理。事实上，电双层(EDL)理论，即湿法效应的基石，表明湿法装置的输出电压信号取决于溶液中的离子浓度，这使得在能量采集之外构建一个自供电的离子传感器成为可能。然而，到目前为止，大多数的努力都是致力于改善透明太阳能发电机的输出，关于高性能透明太阳能离子传感器的研究却很少涉及。探索同时实现良好的发电量和敏感的离子感应能力，可以为蒸发诱导型湿法太阳能装置的发展带来广阔的机遇，但也充满了挑战。

构建自供电的可穿戴式传感电子产品，可以促进摆脱固定医疗设备和能源的桎梏，实现舒适的健康检测，为体育和健康领域提高生活质量提供重要依据。无独有偶，兼具发电和离子传感特性的水电效应可以满足自供电的可穿戴式传感电子产品的功能需求。最近，研究人员报道了一些通过组装纳米材料的柔性蒸发诱导的水蒸气发生器，并将其应用于可穿戴电子产品。然而，由于组装的纳米材料界面之间缺乏强有力的结合机制，使得这些水力发电装置在佩戴过程中遭受复杂的应变时难以保持结构的完整性。此外，还需要在器件层面上进一步设计，以充分利用汗水来打破水电池器件的水源限制。因此，为了实现水伏效应在可穿戴电子设备中的应用，我们非常需要一种既能直接利用汗水，又有良好的发电和敏感的离子感应能力的坚韧而灵活的水蒸气装置。

研究成果

纳米材料之间缺乏强有力的结合机制，这严重限制了蒸发驱动的湿热效应在可穿戴式传感电子设备中的优势。在不放弃纳米结构和表面功能的前提下，明显地提高水电设备的机械韧性和灵活性以满足可穿戴的需求，是一项具有挑战性的任务。在此，中科院苏州纳米所张珽研究员团队开发了一种灵活的坚韧的PAN/Al2O3水伏涂层，同时具有良好的发电（开路电压~3.18V）和敏感的离子感应（10-4-10-3M的NaCl溶液的2285 V M-1）能力。由Al2O3纳米颗粒组成的多孔纳米结构被PAN的强大结合力牢牢锁住，给出了4倍于Al2O3薄膜的临界结合力，可以轻松应对9.92 m/s的强大水流冲击。最后，提出了紧贴皮肤和非接触的装置结构，以实现直接利用汗液的可穿戴式多功能自供电传感。柔韧的PAN/Al2O3水蒸气涂层突破了机械脆性的限制，拓宽了蒸发诱导的水蒸气效应在自供电可穿戴电子器件中的应用。相关研究以“A flexible tough hydrovoltaic coating for wearable sensing electronics”为题发表在Advanced Materials期刊上。

图文导读

Fig 1. Composition and structure of the flexible tough PAN/Al2O3 hydrovoltaic coating.

Fig 2. Power generation performance of the flexible tough PAN/Al2O3 coating based hydrovoltaic device.

Fig 3. Ion sensing performance of the flexible tough PAN/Al2O3 coating based hydrovoltaic device.

Fig 4. Applications.

总结与展望

在这项工作中，通过对聚丙烯腈(PAN)和氧化铝(A2O3)纳米颗粒的DMF分散体进行喷涂，开发了一种灵活的坚韧的水伏涂层。在所获得的水溶液涂层中由AI2O3纳米颗粒组成的多孔纳米结构被 PAN的强结合作用牢牢锁定，使涂层具有良好的柔韧性以及结构强度，可以轻松应对强烈的冲击(~9.92 m/s的高速水流)和大角度的弯曲(超过180)。这种结构稳定机制并不以牺牲通道数量和表面极性为代价。作为证明，通过将 PAN/A2O3分散体喷涂在带有多孔碳电极的柔性聚对二甲酸乙二醇(PET)基片上，并在背面进一步组装气垫纸，制造出了具有高输出性能(开路电压(Voc)~3.18 V)灵敏离子感应能力(10-4-10-3M的NaCI溶液2285 V M-1)的水伏器件。令人印象深刻的是，这种装置结构表现出双重优势，即空地纸不仅可以不接触地收集水蒸气，还可以将液体溶液直接转移到 PAN/A2O3涂覆层上，在蒸发诱导的水蒸气效应范围内，利用汗液同时搭建了一个可穿戴式水压电源平台，实现了运动和健康的汗液离子感应，成功证明了这一点。

文献链接

A flexible tough hydrovoltaic coating for wearable sensing electronics

https://doi.org/10.1002/adma.202304099

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