文 章 信 息
柔性固态Zn-Co MOFs@MXene超级电容器和有机离子水凝胶传感器应用于自供能能传感
第一作者：向国涛
通讯作者：陈金菊
单位：电子科技大学
研 究 背 景
近年来，可穿戴电子设备正在成为人们融入智慧生活的重要入口和应用终端。这些设备以其便携性、多功能、智能化而越来越受欢迎，可广泛应用于健康监测、运动追踪、人工智能等领域。尽管可穿戴电子器件在降低功耗方面取得了重要进展，但能源的供给和消耗依然是限制其发展的最关键因素，开发自供能集成传感系统成为可穿戴电子器件的重要研究方向。目前，如何在应变条件下实现稳定的自供能传感还面临很多挑战，包括储能器件的大比容量和柔性稳定性、传感器的高灵敏度和高应变稳定性等。在这项工作中，我们通过集成柔性高性能固态超级电容器和有机离子水凝胶传感器开发了一种自供能传感系统。
文 章 简 介
近日，来自电子科技大学的通讯作者陈金菊教授和第一作者向国涛在国际知名期刊Nano Energy上发表题为“Flexible Solid-State Zn-Co MOFs@MXene Supercapacitors and Organic Ion Hydrogel Sensors for Self-Powered Smart Sensing Applications”的文章。该文章通过集成Zn-Co MOFs@MXene柔性固态超级电容器和PAM-BTO/NaCl有机离子水凝胶传感器开发了一种自供能传感系统。该集成系统可以贴附于人体表面，在超级电容器的驱动下，应变传感器通过无线通信技术实时检测人体的多种运动。
图1 自供能传感系统实时监测人体多种运动
本 文 要 点
要点一：电极材料和有机离子水凝胶
通过静电作用将带正电荷的钴离子和锌离子吸引到MXene表面的电负性官能团（如 -O、-OH 和 -F）上，进行“自上而下”自组装合成Zn-Co MOFs@MXene。在这种结构中，MXene 起着导电支撑体的作用，不仅可实现电子和离子的快速传输，还能减弱氧化还原过程中Zn-Co MOFs的聚集和体积膨胀。反过来，Zn-Co MOFs作为间隔物产生"支柱效应"，将MXene纳米片分隔开，阻止其重新堆积并扩大其层间距，提高层状结构的稳定性，进一步促进离子扩散。利用自由基聚合策略和盐沉淀效应制备三维多孔柔性水凝胶。在聚合过程中，羟基和酰胺基团形成氢键，通过大分子链的重新排列形成固态物理交联网络；利用盐产生的盐析效应增强静电相互作用，从而提高水凝胶的韧性。
图2 (a) Zn-Co MOFs@MXene 和 (b) 有机离子水凝胶的合成过程示意图
要点二：超级电容器的优良电化学性能
以Zn-Co MOFs@MXene/NF为正极、AC为负极和PVA-KOH水凝胶为隔膜/电解质组装成非对称混合超级电容器。器件在1 A/g电流密度时具有优异的比电容144.7 F/g，同时其库仑效率优异。充放电循环8000次后，比电容仍能保持80.78%，这显示出器件的结构稳定性和出色的电化学可逆性。
图3 (a)以Zn-Co MOFs@MXene/NF为正极、AC/CF为负极的混合型超级电容器 (HSC) 示意图；(b)正负极在 10 mV s-1下的CV曲线；(c)HSC 在不同扫描速率下的CV曲线；（d）在10 mV s-1扫描速率下不同电压窗口的CV曲线；（e）HSC的GCD曲线以及在不同电流密度下的比电容曲线；（f）10 mV s-1扫描速率下HSC的电容贡献情况；（g）不同扫描速率下的电容控制过程和扩散控制过程的贡献率；（h）HSC的循环稳定性测试
要点三：超级电容器出色的机械柔性
高性能柔性电源的开发对于可穿戴电子产品的发展至关重要。本工作中的超级电容器可被弯曲和扭转成各种角度，且在此过程中没有明显的电化学性能变化，这表明该混合超级电容器具有出色的柔韧性和机械稳定性。重要的是，当弯曲/折叠和松弛状态发生动态变化时，其性能仅有微小波动，这表明该器件在周期性动态（弯曲-释放-弯曲）过程中其电化学性能几乎没有损失。值得注意的是，在功率密度为1.59 kW/kg时，Zn-Co MOFs@MXene//AC 器件实现了51 Wh/kg的能量密度。
图4 (a)全固态柔性混合超级电容器的示意图以及弯曲和折叠的光学照片；(b)混合超级电容器在不同弯曲和扭转角度下10 mV s-1的CV曲线（插图为弯曲至90°的光学图像）；(c)不同角度弯曲后的GCD曲线；(d)不同弯曲角度下的电容保持率；(e)器件的 Ragone图（插图为能量密度-电流密度性能图）；(f)全固态超级电容器可用于点亮LED及为手机充电；(g) 该工作与之前报道的工作的对比
要点四：有机离子水凝胶传感器的优良稳定性
PAM-BTO/NaCl有机离子水凝胶传感器可以承受不同的变形和多次循环机械拉伸。在2-10 cm范围内单轴拉伸可达400%。水凝胶电阻在拉伸和机械变形过程中会发生变化，这主要是由于PAM聚合物链的三维导电互连网络发生了变化。此外，在机械变形过程中，水凝胶内BaTiO3的极化也会进一步影响灵敏度。由于盐析效应，在水凝胶中引入盐可增强其能量耗散，并通过诱导分子链缠结和增加杨氏模量来提高其韧性。值得注意的是，在相同的拉伸应变下，ΔR/R0几乎保持不变，表明有机离子水凝胶传感器具有出色的稳定性。在一系列恒定应变的循环拉伸下，水凝胶传感器表现出较高的线性响应和可重复性。
图5 (a)PAM-BTO/NaCl水凝胶在折叠、扭曲和用剪刀刺入等不同变形状态下的光学图像；(b)PAM-BTO/NaCl水凝胶在初始状态和不同机械拉伸状态下的照片；(c)水凝胶应变传感器拉伸到100%、200%、300%和400%时的响应；(d) 水凝胶传感器的应变响应曲线；(f)水凝胶传感器在不同应变（100%、200%、300%和400%）下重复拉伸时的响应
要点五：自供能传感系统实时监测人体多种运动
当集成的自供能传感系统在20%的恒定应变下被循环拉伸和释放时，其电流信号表现出稳定和周期性的变化，这表明全固态超级电容器可替代传统能源，用于驱动可穿戴传感器，具有可行性和耐用性。自供能传感系统可检测不同频率下的应变，从而实现对不同运动速度/状态的检测。同时，除了成功监测大幅度的运动外，自供能传感系统还能检测到触摸、皱眉等细微运动。该系统对微小的环境变化非常敏感，且可保持性能稳定。
图6. (a) 自供能传感系统的测试电路图；(b) 自供能集成系统在 20% 应变下 50 个周期的电流-时间响应曲线（插图显示了相对电流变化（ΔI/I0））；用于人体运动监测的自供能传感系统的数字图像和相应的电流-时间响应曲线：（c）手臂运动，（d）行走和跑步，（e）触摸，（h）皱眉
文 章 链 接
Flexible Solid-State Zn-Co MOFs@MXene Supercapacitors and Organic Ion Hydrogel Sensors for Self-Powered Smart Sensing Applications
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108936
通 讯 作 者 简 介
陈金菊 教授简介：陈金菊，现为电子科技大学材料与能源学院教授。2006年获电子科技大学微电子学与固体电子学博士学位，2015年至2016年在德国开姆尼茨工业大学做访问学者。长期从事柔性电子材料与器件的研究和开发。在Adv. Funct. Mater., Chem. Eng. J., Mater. Horiz., J. Energy Chem. 等学术刊物上发表多篇研究论文。
第 一 作 者 简 介
向国涛 简介：现为电子科技大学材料与能源学院的博士研究生。主要研究方向为纳米材料和结构在环境能量转换和存储设备领域的制备和应用，包括可穿戴柔性电子器件和锌离子电池等。以第一作者身份在Sci. Bull.，Chin. Chem. Lett.，Inorg. Chem. Front.等期刊上发表过论文。
添加官方微信 进群交流
SCI二氧化碳互助群
SCI催化材料交流群
SCI钠离子电池交流群
SCI离子交换膜经验交流群
SCI燃料电池交流群
SCI超级电容器交流群
SCI水系锌电池交流群
SCI水电解互助群
SCI气体扩散层经验交流群
备注【姓名-机构-研究方向】
投稿请联系contact@scimaterials.cn
点分享
点赞支持
点在看