华中大杨光教授、苏彬教授《Nano Energy》：基于细菌纤维素的生物可降解自供能柔性电磁传感器

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基于柔磁体的自供能柔性电磁传感器在可穿戴领域具有广阔的应用前景。柔磁体作为传感器的核心部件，必须具备优秀的机械性能和传感性能，然而大部分以橡胶为基材的柔磁体机械性能不足、制备过程复杂，无法降解，大量使用会造成不可逆的环境污染，同时，以柔磁体为核心器件的柔性电磁传感器作为非接触式传感器，能够在严苛条件下发挥作用。近日，华中科技大学生命科学与技术学院杨光教授团队与材料科学与工程学院苏彬教授团队以细菌纤维素（BC）为基材，通过原位共沉淀的方法，构建了一种柔软、高强度、生物可降解的新型柔磁体，并进一步构建了一种环境友好的自供能柔性电磁传感器。区别于常见的应力应变及纳米摩擦发电机类型传感器，该传感器能够以非接触方式工作，避免传感过程中因为摩擦或者应力造成的性能变化及损坏，拥有更长的使用寿命。该传感器能够对速度及频率等运动信号进行准确检测。该研究中设计的柔磁体制备过程高效经济，柔磁体在生物降解之后，可对残余的磁性颗粒进行有效回收。

该研究成果发表于国际权威期刊《Nano Energy》上，题为“CoFe₂O₄ Embedded Bacterial Cellulose for Flexible, Biodegradable, and Self-powered Electromagnetic Sensor”。

该研究在细菌纤维素的网络结构中CoFe₂O₄原位复合纳米颗粒，并通过后续热压、磁化工艺制备出具有磁性的细菌纤维素基薄膜柔磁体，该柔磁体的最大拉伸强度达到37.13 MPa，大于商业柔磁（3.43 MPa），在56 h内，柔磁体能够完全降解，剩余磁性纳米颗粒可以直接回收利用，在平台传感实验中，最大传感电压为6.85 mV，最大传感电流为0.689 mA，能量密度达到1.33 mW·m^-2，实验结果展示了其良好的传感性能和传感稳定性，最后将利用所设计柔性电磁传感器设计用于人体运动检测的智能衣物，实验结果表明智能衣物能够准确监测运动信号、识别运动状态。

图1. 柔磁体的制备过程及表观形貌表征:（a）柔磁体的制备过程示意图；（b）纯BC的AFM图像；（c）BC复合CoFe₂O₄之后的AFM图像；（d）柔磁体被铁块吸住。（e）柔磁体表面的磁感应强度分布图。

图2. 柔磁体的磁性及理化表征：（a）不同离子浓度下制备的柔磁体的磁感应强度；（b，c）柔磁体的TGA及TG曲线；（d）柔磁体的FT-IR曲线；（e）柔磁体的XRD曲线；（f）肉磁体的应力应变曲线。

图3. （a）纯BC在不同降解时间的照片；（b）肉磁体在不同降解时间的照片；（c）纯BC及柔磁体在降解过程中的总糖曲线。

图4. （a）感应电压产生示原理意图；（b）不同离子浓度下制备的柔磁体所产生的感应信号；（c）（b）中信号的峰值；（d）不同相对运动速度下产生的信号；（e）（d）中信号的峰值；（f）不同厚度的柔磁体所产生的感应信号；（g）（f）中信号的峰值。（h）超过1000次的循环传感测试；（i）（h）中1000次传感之后的信号片段。

图5. （a）智能衣物示意图；（b）柔磁体被缝制在衣服的袖子处；（c）柔磁体和铜线圈的位置；（d）同线圈在衣服的夹层里；（e）走路状态（8 m/s）下的一次完成运动周期所产生的信号；（f）四种运动状态下运动信号的频率和幅值；（g）四种运动状态所捕获的运动信号。

该工作由华中科技大学生命科学与技术学院杨光教授团队与材料科学与工程学院苏彬教授团队共同合作完成。论文共同第一作者为华中科技大学博士生陈坤、华中科技大学硕士李一凡、华中科技大学杜卓林博士。华中科技大学杨光教授、华中科技大学苏彬教授、华中科技大学石志军博士为该文章的共同通讯作者。

该工作得到了金砖国家科技创新框架计划（3rd call 2019）、国家重点研发计划（批准号 2018YFE0123700）、国家自然科学基金（批准号 51973076 和 52073031）、国家纺织新材料与先进加工技术重点实验室（批准号：FZ2021005）和中央高校基本科研业务费专项资金（批准号：2020kfyXJJS035、WUT2018IVB006、Z191100001119047）等的支持。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285522008187

相关进展

华中科技大学杨光教授等担任主编的《Nanocellulose》英文专著出版

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