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新型水凝膠可創(chuàng)建超靈敏的自供電傳感系統(tǒng)，幫助開發(fā)可穿戴電子設(shè)備 .

文章來源：賢集網(wǎng) 更新時(shí)間：2022-09-07 15:01:33

在最近發(fā)表在《碳水化合物聚合物》雜志上的一篇文章中，研究人員討論了使用羧甲基纖維素輔助的聚苯胺和導(dǎo)電水凝膠開發(fā)自供電的高性能應(yīng)變傳感器。

背景

柔性超級電容器（SCs）具有快速充電、高功率密度和防火安全等顯著優(yōu)勢，在可穿戴電子產(chǎn)品中顯示出相當(dāng)大的潛在應(yīng)用。最近在水凝膠電極中制造導(dǎo)電聚合物或碳基化合物方面投入了大量工作。然而，純的全導(dǎo)電聚合物和碳基水凝膠在拉伸時(shí)會變脆。

將導(dǎo)電填料與非導(dǎo)電和彈性水凝膠混合，形成創(chuàng)新的柔性電極，該電極在機(jī)械上是柔性的，但在電氣上是柔性的。經(jīng)過多次嘗試，已經(jīng)開發(fā)出具有優(yōu)異電化學(xué)能力和機(jī)械強(qiáng)度的水凝膠電極，但仍然難以在一個(gè)電子設(shè)備中滿足所有要求。

聚苯胺 (PANI) 具有低成本、驚人的靈活性、高電容和生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，在 SCs 中具有很大的潛力。已經(jīng)采取了許多舉措來為 PANI 創(chuàng)建生物聚合物模板，以增強(qiáng)凝膠系統(tǒng)中的分散性。羧甲基纖維素鈉 (CMC) 是最便宜、最容易獲得且對環(huán)境無害的多糖之一。

CMC可用于實(shí)現(xiàn)電化學(xué)增強(qiáng)和導(dǎo)電聚合物分散的雙重目標(biāo)。除了增加雙網(wǎng)絡(luò) PEI/PAAM 水凝膠的粘附性和可拉伸性外，化學(xué)交聯(lián)聚丙烯酰胺 (PAAM) 網(wǎng)絡(luò)與超支化聚乙烯亞胺 (PEI) 大分子相結(jié)合還賦予許多電解質(zhì)良好的溶解性。較少關(guān)注向該水凝膠支架添加導(dǎo)電納米填料。

關(guān)于研究

在這項(xiàng)研究中，作者討論了在 CMC 和高質(zhì)量 PANI 的幫助下開發(fā)具有互穿雙網(wǎng)絡(luò)的 PEI/PAAM 水凝膠。全凝膠 CMC-PANI0.8M/PEI/PAAM 超級電容器在 14.69 mW/cm 2的功率密度下提供 58.82 μWh/cm 2的最大能量密度，679 mF/cm 2的高比電容，以及在 9.04 mg/cm 2的 PANI 的最佳質(zhì)量負(fù)載下，5000 次循環(huán)后電容保持率提高了 98%. 所提出的小工具可以在 30 到 70°C 的極高溫度下正常工作，并且可以承受嚴(yán)重的彎曲和壓縮變形。對于可穿戴應(yīng)變傳感器，CMC-PANI0.8M/PEI/PAAM 水凝膠表現(xiàn)出良好的靈敏度和穩(wěn)定的電氣性能。構(gòu)建的自供電傳感裝置可以通過耦合超級電容器和應(yīng)變傳感器來精確跟蹤人類活動。CMC-PANI0.8M/PEI/PAAM水凝膠的多功能性能在柔性電子領(lǐng)域表現(xiàn)出色。

該團(tuán)隊(duì)通過使用適量的 CMC 作為軟模板來聚合高濃度的聚苯胺。為了制造具有電子/離子雙導(dǎo)電性的各種 CMC-PANI/PEI/PAAM 水凝膠，將制備的 CMC-PANI 復(fù)合材料與磷酸 (PA) 電解質(zhì)一起添加到 PEI/PAAM 網(wǎng)絡(luò)中。研究了制備的 PANI/PEI/PAAM 水凝膠和 CMC-PANI 復(fù)合材料的相互作用、結(jié)構(gòu)和理化特性。為了在 PEI/PAAM 支架中產(chǎn)生致密、互連的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)并控制高質(zhì)量 CMC-PANI 復(fù)合材料的分散，CMC 至關(guān)重要。

研究人員提出，水凝膠電極對 CMC-PANI 的高質(zhì)量負(fù)載將增強(qiáng)其在柔性 SCs 中的循環(huán)穩(wěn)定性和電容性能。由于電子和離子的雙重傳導(dǎo)，水凝膠薄膜可以作為可穿戴傳感器配備有很好的耐用性和高靈敏度，以跟蹤和區(qū)分人體運(yùn)動。據(jù)預(yù)測，基于水凝膠 CMC-PANI/PEI/PAAM 的自供電傳感系統(tǒng)將能夠在不需要外部電源的情況下檢測人類活動。

結(jié)論

總之，本研究闡明了由于離子/電子雙傳導(dǎo)的優(yōu)勢，CMC-PANI/PEI/PAAM 作為應(yīng)變/壓力傳感器具有高靈敏度和快速響應(yīng)來檢測各種人類活動。靈活的 SC 和應(yīng)變傳感器被集成在一起，以創(chuàng)建一個(gè)超靈敏的自供電傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以立即將不同的機(jī)械運(yùn)動轉(zhuǎn)換為電信號，而無需外部電源。

原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_515990.html
來源：賢集網(wǎng)
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