北京化工大学利用导电有机水凝胶为柔性应变传感器供电

导电水凝胶( CHs) 凭借其出色的理化特性(例如大的可拉伸性和高电导率)在柔性应变传感器和可拉伸的摩擦电纳米发电机(TENGs)的设计中得到了强调。然而，以水溶剂为分散介质，CHs的偶然冻结和干燥行为大大限制了它们的应用范围。

最近 ， 北京化工大学 万鹏博教授 /郑州大学 代坤教授 团队 通过简单的溶剂替代策略证明了一种耐环境且可超拉伸的有机水凝胶，其中合成的 聚丙烯酰胺/蒙脱土/碳纳米管水凝胶 中的部分水被甘油替代， 从而具有出色的温度耐受性(-60至60°C)和良好的稳定性(在正常环境下为30天) ，而不会牺牲拉伸性和导电性。 有机水凝胶具有超宽的应变感应范围(0–4196%)，具有8.5的高灵敏度， 可以有效地检测和区分在各种条件下温和或剧烈的人类活动。此外，有机水凝胶在单电极TENG中组装，即使在500%的可拉伸性下仍显示出出色的能量收集能力，并且 在恶劣的寒冷条件下也具有直接为可穿戴电子设备供电的坚固性 。这项工作为多功能有机水凝胶开辟了一条简单的途径，并有望在极端环境中实际应用柔性且自供电的可穿戴设备。 相关论文以题为 Environment Tolerant Conductive Nanocomposite Organohydrogels as Flexible Strain Sensors and Power Sources for Sustainable Electronics 发表在《 Advanced Functional Materials 》上。

【主图导读】

图1 a)耐环境的MMCOH的示意图制造。b)冷冻干燥的MMCH的横截面SEM图像。c)MMT，PAM水凝胶，MMCH和MMCOH的FTIR模式。d)MMCH和MMCOH的XRD图谱。

图2 MMCOH的环境耐受性。 a)MMCH和MMCOH的防冻性能照片。b)MMCOH在25和-60°C下的应力-应变曲线。c)-60至20°C的MMCOH的电导率。d)在正常环境下放置30天后，MMCH和MMCOH的比较。e)在正常环境下连续30天，MMCH和MMCOH的重量变化。W0和Wt分别是初始重量和在相应的凝胶储存时间的重量。f)MMCH和MMCOH的电导率随正常环境下30天的存储时间而变化。g)MMCH和MMCOH在60°C下持续72 h的重量变化。h)MMCH和MMCOH在60°C下72 h的电阻变化。

图3 a)MMCOH传感器的ΔR/ R 0 值与施加的应变的关系。b)拉伸变形时传感器的感应机制示意图。c)GF和可行菌株与文献的比较。d)传感器的动态逐步循环测试。e)应变感测性能从0%到10%再回到0的一个周期，在不同应变下保持10 s。f)在2000个循环内对传感器进行耐久性测试(拉伸速率400 mm min-1，应变200%)。g)传感器在 − 60°C下存储6 h后对逐步循环载荷的实时响应。h)MMCOH传感器在-60°C下存储6 h后，在100个装卸循环中的响应。i)在正常环境下放置30天的传 感器对逐步循环载荷的动态响应。 j)MMCOH传感器在正常环境下放置30天后，在200个装卸循环中的响应。

图4 演示用于检测人类活动的耐环境传感器( a)语音识别，b)爬楼梯和c)拿着水杯)。d1)由基于MMCOH的5×5像素传感器组装而成的皮肤的照片，以及相应的压力分布，d2)2D映射和d3)3D映射(来自感应响应)。e1)手指触摸的E皮肤照片，以及相应的压力分布，e2)2D映射，以及e3)3D映射(来自感应响应)。f1)重量为1 kg的电子皮肤的照片，以及相应的压力分布。f2)2D映射和f3)3D映射来自感测响应。

图 5 a)AOH-TENG图。b)展示AOH-TENG的工作原理的示意图。c)AOH-TENG的相应Voc，Isc和Qsc。d)AOH-TENG的电气输出性能随外部电阻的变化。e)AOH-TENG的长期稳定性测试。f)储存2个月后，AOH-TENG的Isc在不同的拉伸状态下。g)储存2个月后，在300%应变下的1000次拉伸释放循环中，AOH-TENG的Isc。

图6 a)基于AOH-TENG的自充电电源系统的等效电路图。AOH-TENG的充电能力b)在不同的工作频率(1-5 Hz)下为1 µF商用电容器充电，以及c)在4 Hz的输入信号下为各种电容器(1-47 µF)充电。d)定期用手轻拍AOH-TENG，直接照亮LED的照片。e–g)用于可持续驱动便携式电子设备的AOH-TENG的照片。h)演示可穿戴AOH-TENG在低于零温度下的实际应用。i)AOH‐TENG在-60至60°C的温度下的电气输出性能。

【总结】

团队通过简便的溶剂替代策略设计并制造了一种具有抗冻，抗干燥和长期环境稳定性的综合特性的新型多功能柔性纳米复合有机水凝胶。 提出的 MMCOH可以在很宽的温度范围( − 60–60°C)中保持出色的拉伸性和良好的导电性，或者由于在水和甘油分子之间形成了牢固的氢键，因此可以在正常环境中放置长达30天。基于MMCOH的传感器在宽应变检测范围(0–4196%)中具有高灵敏度，出色的可靠性和耐用性(最多2000个循环)。 防冻传感器也可以用作可穿戴电子设备，即使在低温下也可以检测和区分人体运动。作为一种自充电电源系统，单 电极 AOH-TENG表现出良好的能量收集性能，在宽温度范围(-60-60°C)甚至在大变形条件下(500%应变)也具有可靠的稳定性。此外，事实证明，AOH-TENG是一种收集机械能直接为便携式电子设备供电的可行策略。这项工作为低温传感器和实际柔性电源的潜在多功能应用提供了新颖的见解。