The Innovation Materials | 单原子材料助力可穿戴“微电网”

导 读

可穿戴“微电网”是一种集成能量收集、存储以及传感器的可穿戴系统，能够实现人体自主供能及可持续的生命体征检测。然而，由于其高成本和有限的性能、稳定性和生物相容性，当前的可穿戴“微电网”尚未达到可行性，急需实现重大突破，尤其是在材料科学领域。单原子材料（SAM，Single-atom Materials）是当今最有前途的前沿材料之一，可以克服上述缺点，并在各种采集器、能量存储设备和可穿戴传感器中提供许多优势。在此，我们展望了SAM助力可穿戴设备的潜力，以满足构建实用的能源自主可穿戴“微电网”的需求，以实现扩展的全面自我监控和健康护理。

图1 图文摘要

可穿戴技术的出现为疾病的诊断和治疗以及用人机接口的个性化自我监测提供了可能性。目前将各种可穿戴模块集成到多功能可穿戴系统中，产生了可穿戴“微电网”的新概念。这种可穿戴“微电网”概念描述了具有各种可穿戴功能的多模块系统，整合了从身体不同部位（如汗水）局部采集能量的设备，同时包含能量储存。然而，可穿戴微电网仍然存在局限性，包括系统生物相容性不足、应用设备功耗高、采集器效率低、电池功率密度低、传感器灵敏度有限等。开发下一代可穿戴微电网，需要保证设备的生物相容性、延长运行时间和提高自身运行性能。

单原子材料（SAM）由分散在载体上的孤立的活性原子组成，目前已经提高了各种能源设备和传感器的催化性能，具有解决可穿戴微电网中提到的缺点的巨大潜力。可穿戴微电网的运行依赖于各种催化剂来促进具有所需特异性、选择性或效率的反应。SAM可以在不同应用的可穿戴微电网中发挥其独特的作用（图1），可用于各种能量收集器，储存单元，以及传感器。例如，SAM具有独特的电子/几何结构和优异的催化活性，可以增强比色、电化学、光电化学生物传感等领域的信号放大。

总结与展望

可穿戴“微电网”可以在人们的日常生活中实现全面的健康检测。SAM融入可穿戴微电网中，可以为所需应用定制反应机制、性能、稳定性和选择性。先进SAM的持续设计以及纳米工程制造也将推动可穿戴微电网在各个领域的蓬勃发展。尽管SAM增强了各种生物医学和能量收集特性，但在其广泛应用于可穿戴微电网之前，必须解决一些挑战。这些挑战包括金属含量低、氧化电子态、生物相容性差和不稳定。这些改进应满足可穿戴传感器的高需求，并实现持续监视、多任务快速诊断、数据/生物标记收集以及研究，并期待构建SAM增强的可穿戴传感器，为人类提供更舒适的物理/医疗监测。此外，SAM在能源领域获得的成功也将为可穿戴能量收集领域带来革命性的新思路。总而言之，我们相信SAM可以推动下一代可穿戴电子产品的发展，从而提高人类的生活质量。

责任编辑

代云茜   东南大学

赵贤辉   橡树岭国家实验室

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原文链接：https://www.the-innovation.org/article/doi/10.59717/j.xinn-mater.2023.100023

本文内容来自The Innovation姊妹刊The Innovation Materials第1卷第2期以Perspective发表的“Wearable microgrids empowered by single-atom materials” (投稿: 2023-03-27；接收: 2023-05-17；在线刊出: 2023-05-31)。

DOI: https://doi.org/10.59717/j.xinn-mater.2023.100023

引用格式：Ding S., Yin L., Lyu Z., et al. (2023). Wearable microgrids empowered by single-atom materials. The Innovation materials 1(2), 100023.

作者简介

朱文磊，南京大学环境学院教授，江苏特聘教授，博士生导师，国家级青年人才计划入选者。主要研究方向为纳米材料组装与合成、环境催化与环境分析等。主持国家自然科学基金、江苏省青年基金等科研项目。迄今为止，已在国际著名学术期刊 Nat. Energy、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等学术期刊发表SCI 论文70篇，h-index为35，他引超过6000次。现为学术期刊Frontiers in Sensors 和Frontiers in Bioengineering and Biotechnology副主编。

https://www.x-mol.com/groups/carbonneutrality

Joseph Wang，美国加州大学圣地亚哥分校（UCSD）纳米工程系杰出教授、可穿戴式传感器中心主任，可穿戴技术研究领域的国际顶尖专家。已发表超过1300篇研究论文，总引用16000+次，H- index为200；全球高被引科学家。美国国家发明院院士、美国医学与生物工程院院士、美国电化学会会士、英国皇家化学会会士。研究领域：纳米生物电子学和纳米机械，包括纳米生物技术、纳米材料为基础的传感器、纳米发动机和纳米制动器、纳米粒子标记扩增/复用生物检测、纳米条形码、纳米药物、DNA和蛋白质的诊断、远程传感器、纳米传感器和生物医学等。

https://joewang.ucsd.edu/

林跃河，美国华盛顿州立大学终身教授，美国西北太平洋国家实验室（PNNL）Laboratory Fellow（美国国家实验室的最高学术职位）。到目前为止，林跃河教授当选为美国科学发展协会AAAS Fellow、英国皇家化学会会士、美国电化学会会士、美国医学与生物工程院院士、美国国家发明院院士、美国华盛顿州科学院院士。林跃河教授主要致力于功能化纳米材料的设计以及能源和环境应用、开发新型纳米生物电化学传感设备及纳米材料用于生物医学诊断及药物递送，发表文章约700篇，总引用约80000+次，h-index为145；入选2014－2022全球高被引科学家名单（Highly Cited Researchers）。

https://mme.wsu.edu/yuehe-lin/

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