武汉大学吕昂副教授 《JMCA》：用于多重传感和摩擦电纳米发电机的透明水凝胶

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在过去的几十年里，柔性/可伸缩电子产品在传感器、软机器人、触摸屏、仿生皮肤和能量采集等领域得到了广泛的应用。考虑到21世纪的可持续发展，天然高分子因其可再生性、生物相容性、生物降解性等多重优势，被认为是最有希望取代传统不可降解聚合物的原料之一。纤维素作为最丰富的天然高分子，已被广泛开发利用。然而，由于大量的分子间相互作用，纤维素很难在普通溶剂中融化或溶解。高度可伸缩的纤维素水凝胶作为柔性电子器件应用的报道很少，这可能是由于纤维素具有很强的分子间相互作用和固有的链刚性。

武汉大学的吕昂教授副团队采用一种简便、环保、零损耗的方法制备了一种高度可伸缩、透明的离子导电纤维素/聚乙烯醇(CPH)水凝胶。基于CPH的传感器对温度、压缩压力和拉伸应变具有快速而稳定的灵敏度。由于交联密度较低和软段的介入，CPH具有较高的延伸率（断裂伸长率为747%），而CPH的离子导电性以及在550 nm处的透明度超过80%，以及在-12.4~62.6℃温度范围内的稳定性都归功于水凝胶基质中的BzMe₃NOH，使其具有作为传感器和摩擦电纳米发电机(TEN)的潜力，CPH-Teng的低压检测下限为0.0147 kPa。基于CPH的摩擦电纳米发电机具有耐温度变化、耐拉伸、耐长时间储存、可长周期运行等特点。此工作提供了一条制备柔软且高度可伸缩的纤维素水凝胶作为多功能电子产品的简单途径，在可持续发展和绿色化学方面显示出巨大的潜力。

图1 （a）CPH在210至900 nm波长范围内的光学透过率，插图为CPH的照片；

（b）CPH的拉伸应力-应变曲线；

（c）在加载-卸载循环过程中，CPH在500%应变下的拉伸应力-应变曲线；（d）CPH的储能模量（G’）和损耗模量（G’’）随温度的变化；

（e）CPH（红圈表示毛孔）和（f）冷冻干燥CPH的显微镜图像，放大倍数均为500

图2（a）基于CPH的温度传感器的相对电阻的对数（ln（R/RT=0）作为温度的函数；（b）在0至64.0%的10个加热-冷却循环期间，基于CPH的温度传感器的ln(R/RT=0)随时间变化；（c）基于CPH的应变传感器在从0至500%应变的30个循环中的响应；基于CPH的应变传感器在监测（d）手指(相同振幅)、（e）膝盖(两个不同振幅)和（f）肘部(每个弯曲保持5s)弯曲动作时的响应

图3（a）基于CPH的压力传感器在50%应变范围内的压缩应力-应变曲线；（b）基于CPH的压力传感器在50%压缩应变范围内的相对电容变化(ΔC/C0)和GF；（c）基于CPH的压力传感器的ΔC/C0和灵敏度（S）随压力的变化；（d）不同压力幅值的CPH基压力传感器的ΔC/C0

图4（a）CPH-Teng的设计；（b）CPH-Teng在单电极模式下的工作原理示意图。

一个微小的CPH-Teng（CPH宽度为1.0 cm，长度为1.5 cm）被手指（c）轻敲，15个LED（白色和蓝色）因此被点亮（d和e）；（f-h）开路电压（VOC）、短路电荷量（QSC）和短路电流（ISC）分别为1.0 cm宽和1.5 cm长的CPH-Teng在触点分离运动下的开路电压(VOC)、短路电荷量（QSC）和短路电流（ISC）

图5（a）CPH-Teng在初始状态（λ=1）和不同拉伸比（λ=2、4、6）的照片；

（b）CPH-Teng在初始和不同拉伸状态下的挥发性有机化合物（VOC）；

（c）延长运动周期前后CPH-Teng的VOC（800个运动周期的300%应变）；

（d）CPH和CPH-Teng在干燥空气中（30RH%，25℃）的重量变化；

（e）在施加不同接触压力的情况下，电阻器(5MΩ)两端的各种峰值电压幅度；

（f）在触点分离运动时施加在CPH-Teng上的六种不同压力下测量的电阻器(5MΩ)两端的电压曲线

以上研究以“Highly stretchable, transparent cellulose/PVA composite hydrogel for multiple sensing and triboelectric nanogenerators”为题，发表在Journal of Materials Chemistry A（DOI: 10.1039/d0ta02010a）上。第一作者为武汉大学的王阳，通讯作者为武汉大学的吕昂副教授。

原文链接
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ta/d0ta02010a#!divAbstract

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