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陜科大蔣學(xué)教授團(tuán)隊(duì)《Carbohyd. Polym.》:用于濕氣發(fā)電和濕度傳感的纖維素基高度有序不對(duì)稱蜂窩膜
2022-07-07  來源：高分子科技

  近日，陜西科技大學(xué)生物質(zhì)化學(xué)與功能材料團(tuán)隊(duì)蔣學(xué)教授/陳婷博士生等人報(bào)道了一種高度有序不對(duì)稱蜂窩結(jié)構(gòu)的纖維素膜，并用于濕度傳感和濕氣發(fā)電。相關(guān)研究成果發(fā)表于高分子領(lǐng)域頂級(jí)期刊Carbohydrate Polymers上。


圖1 銀納米線/醋酸纖維素基（AgNWs/CAL）蜂窩膜制備原理圖


  隨著柔性可穿戴電子設(shè)備的蓬勃發(fā)展，已被廣泛應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、醫(yī)療診斷和保健等領(lǐng)域。濕氣發(fā)電機(jī)（MEG）可將無處不在的濕氣的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，為制造可穿戴電子產(chǎn)品的電源提供了一種簡(jiǎn)便、智能、綠色的方法。然而，基于纖維素的MEG中的離子濃度梯度和電場(chǎng)容易塌陷。因此，建立穩(wěn)定的離子濃度梯度對(duì)于提高纖維素基MEG的持續(xù)穩(wěn)定輸出電壓至關(guān)重要。不對(duì)稱結(jié)構(gòu)在形成濃度梯度以驅(qū)動(dòng)離子在特定方向擴(kuò)散方面具有很大的潛力。幾種類型的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，包括官能團(tuán)/帶電離子的不對(duì)稱分布，不對(duì)稱電極和不對(duì)稱水分?jǐn)U散。然而，大多數(shù)不對(duì)稱的多孔材料是通過復(fù)合和表面處理形成的，導(dǎo)致工藝復(fù)雜，孔隙無序和尺寸無法控制。本文通過呼吸圖案法制備了一種高度有序的不對(duì)稱纖維素基蜂窩膜。不對(duì)稱有序多孔結(jié)構(gòu)不僅增加了自由質(zhì)子濃度梯度，并且縮短了擴(kuò)散路徑，有效降低了傳質(zhì)和擴(kuò)散阻力，顯示了其在高靈敏地濕度傳感和濕氣發(fā)電方面的巨大潛力。此外，所設(shè)計(jì)的AgNWs/CAL蜂窩膜對(duì)人體運(yùn)動(dòng)顯示出克重復(fù)且有規(guī)律的電信號(hào)，證明該蜂窩膜可以準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)人體的關(guān)節(jié)活動(dòng)。 


圖2 呼吸圖案法制備纖維素基高度有序不對(duì)稱蜂窩膜（A）CAL蜂窩膜的掃描電鏡圖和超景深顯微鏡圖；（B）AgNWs/CAL蜂窩膜的SEM圖和電化學(xué)性能。 


圖3 AgNWs/CAL蜂窩膜的人體運(yùn)動(dòng)傳感


  AgNWs/CAL蜂窩膜具有良好的柔性，歸因于膜的超薄和可拉伸的蜂窩結(jié)構(gòu)。經(jīng)AgNWs/CAL蜂窩膜在拉伸-恢復(fù)循環(huán)（拉伸力逐漸增加）期間產(chǎn)生了明顯的尖銳、可重復(fù)的電信號(hào)，并且具有高靈敏度。此外，AgNWs/CAL蜂窩膜依次被貼在人體不同的關(guān)節(jié)（食指關(guān)節(jié)和手背）上，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同肢體運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力。。 


圖4 AgNWs/CAL蜂窩膜的濕度傳感性能和不同相對(duì)環(huán)境濕度條件下的傳感機(jī)制


  圖4是在不同相對(duì)環(huán)境濕度（RH）下AgNWs/CAL蜂窩膜的濕度傳感性能和機(jī)制。在低RH下，蜂窩膜表面的親水基團(tuán)與水分子直接形成氫鍵（圖4（a）），相鄰的氫鍵限制了水分子在低相對(duì)濕度下的自由流動(dòng)，導(dǎo)致電流幾乎恒定，ΔR/R0的波動(dòng)范圍很小。當(dāng)RH達(dá)到中等水平時(shí)，ΔR/R0變化較大，水分子開始自由移動(dòng)并通過Grotthuss質(zhì)子傳輸機(jī)制（H2O + H+ ~ H3O+ 和 H2O + H3O+ ~ H3O+ + H2O）破壞原有的氫鍵（圖4 (b)）。當(dāng)RH增加到90%后，吸附在表面的水分子由于施加的電場(chǎng)而容易電離，質(zhì)子在相鄰水分子和AgNWs網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行跳躍和擴(kuò)散（圖4（c））。此外，獨(dú)特的蜂窩結(jié)構(gòu)可以加速水分子的吸收和解吸速度，有助于實(shí)現(xiàn)AgNWs/CAL膜的高靈敏響應(yīng)。 


圖5 AgNWs/CAL蜂窩膜的濕電轉(zhuǎn)化性能和機(jī)制


  圖5是AgNWs/CAL蜂窩膜的濕電轉(zhuǎn)化性能和機(jī)制。控制濕氣流動(dòng)的速率為30 mL/h,時(shí)間為1000 s，C-MEG的輸出電壓（Voc）高達(dá)302 mV，且C-MEG的Voc與濕氣之間存在顯著相關(guān)性。C-MEG在間歇性濕氣供給下的實(shí)時(shí)電流密度變化，展示了可重復(fù)且有規(guī)律的電信號(hào)，證明AgNWs/CAL蜂窩膜的多不對(duì)稱結(jié)構(gòu)（不對(duì)稱電極和不對(duì)稱水分?jǐn)U散通道）和納米傳輸通道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在纖維素基濕氣發(fā)電材料的可靠性。


  相關(guān)成果以“Highly ordered asymmetric cellulose-based honeycomb membrane for moisture-electricity generation and humidity sensing”為題發(fā)表在Carbohydrate Polymers (DOI: )上。陜西科技大學(xué)博士研究生陳婷為第一作者，蔣學(xué)教授為本論文的通訊作者。


  論文DOI鏈接：https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2022.119809
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（責(zé)任編輯：xu）
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