香港理工大学理学院应用生物及化学科技学系郑子剑教授团队在《ACS Appli. Mater. Interfaces》上发表了题为“Destructive-Treatment-Free Rapid Polymer-Assisted Metal Deposition for Versatile Electronic Textiles”的文章（DOI: 10.1021/acsami.2c19278）。文章报道了一种紫外引发的快速交联方法，可在织物上修饰用于辅助金属沉积的聚合物。这种快速聚合物辅助金属沉积 (r-PAMD)可以应用于各种常见的织物材料，例如棉、涤纶、尼龙、芳纶、玻璃纤维和碳布。与现有技术相比，r-PAMD 将修饰时间显著降低至数分钟，并且能够兼容大规模的卷对卷（roll-to-roll）制造方式。此外，沉积的金属表现出出色的附着力，可承受严酷的弯曲、磨损和机洗测试。得益于出色的金属/织物结合强度，这些金属涂层的织物材料可以应用于柔性/可穿戴及机洗的传感器，以及基于织物集流体的锂金属电池。
r-PAMD的过程如图1所示。在紫外光照射下，对催化剂有静电吸附作用的锚点分子被交联在织物表面，随后通过离子交换吸附PdCl42- 催化前驱体。在金属无电沉积液中，PdCl42-会被还原成Pd(0)，成为活性位点，引发目标金属在织物表面的自催化还原反应。聚合物修饰后的织物材料可以通过无电沉积技术得到带有铜、银、金、镍等金属镀层的织物，并可以通过电镀、化学置换等方法继续沉积其他金属以应对不同需求。
图1. r-PAMD过程示意图。
聚合物修饰后的织物力学强度与修饰前基本无异。相比传统方法制得的金属涂层织物，通过r-PAMD方法得到的导电织物在标准机洗、耐磨性测试中表现更为优异。镀铜的棉、涤纶和芳纶布在25次机洗或2000次Martindale磨损测试后方块电阻基本不变，维持在0.5 Ω sq-1以下；而镀铜尼龙布在2000次磨损测试后方阻也仅增加至 ~ 16 Ω sq-1，较传统方法制备的镀铜尼龙布小数千倍。扫描电镜图显示出r-PAMD方法制备的金属涂层和织物纤维之间贴合紧密，金属在织物表面覆盖完整。
图2. 金属涂层织物的表征。
通过r-PAMD方法得到金属和织物间优异的结合力使得这些导电织物适用于各种可穿戴器件。例如，借助可拉伸的针织结构，镀铜的芳纶针织布可用作可穿戴的应变传感器。这种传感器的电阻值能在10%的应变范围内表现出良好的线性响应。通过r-PAMD技术制得的镀铜棉布还可以进一步电镀金，用作可穿戴、可水洗的心电图检测电极。这种镀金的棉布电极穿着舒适，有着和普通棉布相近的通透性，并且在水洗和磨损测试后依然保持较低的方块电阻。因此，这种电极相比传统的凝胶电极更为稳定，集成了该电极的紧身衣在水洗50次之后依然可以用于心电图测量。
图3.用于应变传感器和心电图检测的金属涂层织物。
此外，通过r-PAMD技术制得的导电织物也可以作为集流体，用于锂金属电池。作者们通过一步贾凡尼置换反应（galvanic displacement）在镀铜棉布上修饰了少量的金，以提高锂金属对镀铜棉布的浸润性并减少枝晶的形成。扫描电镜图揭示了锂金属对金修饰后的镀铜棉布浸润性显著提高，因此基于该集流体的锂金属电池在充放电时过电位（overpotential）更低，循环稳定性也更高：在80次充放电循环后仍能保持96.5%的库伦效率，与之对应地，基于镀铜棉布集流体的电池在80次循环后就库伦效率降到了80%以下。
图4.用于锂金属电池的金属涂层织物。
作者介绍：
郑子剑，香港理工大学应用生物及化学科技学系（ABCT）、智慧能源研究院、智能可穿戴研究院教授。2003年获得清华大学化学工程系工学学士学位，2007年获得剑桥大学化学系博士学位，2008-2009年在美国西北大学Mirkin教授课题组从事博士后研究；2009年加入香港理工大学担任助理教授并成立独立课题组，2013年破格晋升为终身副教授，2017年晋升为教授。研究方向主要包括柔性电子、微纳制造、高分子智能材料、能源转化与存储。迄今已在包括Science、Nature Materials、Nature Communication、Advanced Materials、JACS、Angew Chem等高水平SCI期刊发表学术论文190余篇；申请专利25项。创办Wiley绿色能源环境领域的先进材料期刊《EcoMat》并担任主编，亦担任Advanced Materials和Small的客座编辑，以及Advanced Energy Materials的顾问委员会成员。2018年当选香港青年科学院创院院士，2020年当选长江讲座教授，2021年当选香港研资局高级研究学者。
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.2c19278
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