湖南工大许建雄课题组《Nano Energy》：基于全物理交联型双网络导电水凝胶的高灵敏应变传感器和摩擦纳米发电机

高分子科技

2022-11-19

导读：该多功能水凝胶材料有望为类电子皮肤柔性可穿戴电子传感器件的设计与开发提供思路...

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随着人工智能和物联网技术的发展，柔性传感和储能系统引起了人们的广泛关注。基于接触-分离原理的摩擦纳米发电机（TENG）具有结构简单、输出稳定、能量转换效率高等优点，被认为是柔性供能系统的理想选择之一。水凝胶是一种由亲水聚合物链交联而成的具有三维网络结构，良好柔韧性、组织相似性和可拉伸性的典型“软湿”材料，在构建柔性电子器件领域中具有广阔的应用前景方面展现出独特优势。基于水凝胶的摩擦纳米发电机具有良好的拉伸性能，在拉伸、弯曲、折叠等复杂状态下仍然能够正常工作，在柔性可穿戴设备及柔性自供能领域显示出了独特优势。然而，传统的水凝胶力学性能和自粘附性较差，限制了水凝胶在柔性传感器和摩擦纳米发电机中的应用。

湖南工业大学生命科学与化学学院许建雄教授课题组近年来围绕水凝胶增强增韧、功能化的基本理论以及在柔性可穿戴设备中的应用开展相关研究。近日，在国家自然科学基金（Nos. 51874129 and 52174247）的资助下，该课题组成功开发出了一种Fe³⁺螯合的聚乙烯醇/聚（丙烯酰胺-co-丙烯酸）（PVA/P(AM-co-AA)-Fe³⁺）全物理交联导电双网络水凝胶，并成功构建出高灵敏柔性应变传感器用于人体运动监测和自供电PP-TENG能够为小型电子设备LED、计算器等供能。论文第一作者为湖南工业大学生物医学工程专业硕士研究生罗跃聪，通讯作者为湖南工业大学生命科学与化学学院许建雄教授，研究成果发表在中科院一区TOP期刊Nano Energy上。

以硼砂交联的PVA为作为第一网络，富含羧基和酰胺基团的P(AM-co-AA)作为第二网络，通过Fe³⁺螯合作用，形成综合力学性能优异的全物理交联双网络导电水凝胶（图1）。

图1.(a) PVA/P(AM-co-AA)-Fe³⁺双网络水凝胶的合成示意图。

该水凝胶具有良好的自粘附性能，能够很好地贴合在人体皮肤的表面，并且剥落后无残留、无过敏现象。进一步，他们构建出了基于PVA/P(AM-co-AA)-Fe³⁺双网络水凝胶的应变传感器，并将其用于人体运动的实时监测（见图2）。

图2.基于PVA/P(AM-co-AA)-Fe³⁺双网络水凝胶的应变传感器用于监测人体的表情变化及肢体运动，(a) 脸颊、(b) 皱眉、(c) 喉咙、(d) 手掌、(e) 手指、(f) 肘部和 (g) 膝盖。

最后，以聚酰亚胺（PI）为正摩擦材料，硅胶（ecoflex）为负摩擦材料，以PVA/P(AM-co-AA)-Fe³⁺双网络水凝胶作为电极构建了可拉伸的摩擦纳米发电机（PP-TENG）。良好的导电性和力学性能使得PP-TENG具有稳定且优异的电输出性能（开路电压：238 V；短路电流：1.2 μA移动电荷：37 nC）（图3），能够对小型电子设备供电（图4）。

图3. (a) PP-TENG的结构；(b) PP-TENG拉伸、扭曲、扭曲拉伸状态下的照片；(c) 发电机理示意图；(d) 面积为2×2 cm²的PP-TENG器件在2 Hz动作频率下产生的开路电压、(e) 短路电流、(f) 移动电荷；(g) PP-TENG输出电压的有限元模拟分析；(h) PP-TENG 在拉伸状态下的开路电压；(i) PP-TENG在2Hz频率下进行600次机械冲击循环的性能稳定性。

图4.(a) 输出电压、电流和瞬时功率密度与外部负载电阻的关系；(b) 具有外部负载的电路配置；(c) PP-TENG在5 Hz动作频率下对不同商用电容器（1-220 μF）充电；(d) PP-TENG对LED供电的电路和LED被点亮的图片 (e) 使用PP-TENG对商用电容器（22 μF）充电至1.5 V，然后为计算器供电；(f) PP-TENG通过商用电容器（22 μF）对计算器充电的过程。

本论文以硼砂交联的PVA为作为第一网络，富含羧基和酰胺基团的P(AM-co-AA)作为第二网络，通过Fe³⁺螯合作用，成功开发出了一种Fe³⁺螯合的聚乙烯醇/聚（丙烯酰胺-co-丙烯酸）（PVA/P(AM-co-AA)-Fe³⁺）全物理交联导电双网络水凝胶。该水凝胶具有优异的力学性能（拉伸应力：2.1 MPa，拉伸应变：590%），同时，大量的功能基团使得该水凝胶与各种界面形成氢键作用从而赋予其自粘附性，能够很好地粘附在基体如人体皮肤等表面。基于该水凝胶构建出了高灵敏和稳定性的柔性应变传感器（GF = 2.3），可用于实时监测人体表情变化和肢体运动。以聚酰亚胺（PI）为正摩擦材料，硅胶（ecoflex）为负摩擦材料，以PVA/P(AM-co-AA)-Fe³⁺双网络水凝胶作为电极构建了可拉伸的摩擦纳米发电机（PP-TENG）。PP-TENG具有优异的电输出性能（开路电压：238 V；短路电流：1.2 μA移动电荷：37 nC），可有效地收集机械能为小型电子设备如LED灯、计算器等供电。该多功能水凝胶材料有望为类电子皮肤柔性可穿戴电子传感器件的设计与开发提供思路。

论文信息：Yuecong Luo, Maolin Yu, Yutong Zhang, Yuanyuan Wang, Lan Long, Haihu Tan, Na Li, Lijian Xu, JianxiongXu*, Highly sensitive strain sensor and self-powered triboelectric nanogenerator using a fully physical crosslinked double-network conductive hydrogel, Nano Energy, 2022, 104, 107955.

原文链接：

https://authors.elsevier.com/c/1g19Y7soS82L3T

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107955

作者简介：

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许建雄，教授，博士（后），湖南工业大学生命科学与化学学院副院长，博士生导师。入选湖南省121创新人才、湖南省青年骨干教师、株洲市青年托举人才、湖南工业大学“精英人才”。主持国家自然科学基金面上项目及青年项目2项，中国博士后科学基金2项，湖南省自然科学基金，湖南省教育厅重点项目等省级科研项目6项，企业横向课题2项。累计发表SCI源刊论文64篇，被他引920余次，单篇通讯作者论文最高他引达84次，H-index为18。近年来，围绕功能性水凝胶的制备及其在柔性可穿戴传感器中的应用开展研究，取得了一系列具有研究特色和创新性的研究成果。近5年在Nano Energy、Journal of Hazardous Materials、Materials Chemistry Frontiers、Macromolecules、Journal of Materials Chemistry C、Gels等化学和材料领域知名期刊上发表第一或通讯作者论文29篇（其中IF > 5.0 的论文15篇，ESI高被引论文2篇），获国家授权发明专利5项，湖南省自然科学三等奖（排名第一），中国包装联合会行业科技进步技术二等奖（排名第二）。

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