- 中大吳進(jìn)/南工大霍峰蔚教授AM：基于智能自適應(yīng)水凝膠的自供電可逆切換氣濕雙功能柔性化學(xué)傳感器
- 發(fā)布日期：2025-05-14
可直接穿戴在身上或集成在衣物中的智能可穿戴電子設(shè)備因其在持續(xù)健康監(jiān)測(cè)、安全保護(hù)和人機(jī)交互方面的廣泛應(yīng)用前景而受到關(guān)注。為了滿足可穿戴電子對(duì)低功耗、連續(xù)工作時(shí)長(zhǎng)、穿戴舒適性和多種信號(hào)檢測(cè)等功能性日益增長(zhǎng)的需求，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)自供電、柔性、和無(wú)串?dāng)_的多功能傳感器非常必要。傳統(tǒng)上，傳感設(shè)備的功能擴(kuò)展主要依賴(lài)于單一功能器件（傳感器、儲(chǔ)能器件、納米發(fā)電機(jī)等）和多種功能材料的集成和耦合，但這會(huì)大大增加系統(tǒng)制造的復(fù)雜性、尺寸和成本。在沒(méi)有算法支持的情況下，如何基于單一器件和單一傳感材料識(shí)別和量化不同種類(lèi)的信號(hào)仍是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。值得注意的是，智能水凝膠可通過(guò)改變自身的材料狀態(tài)滿足不同場(chǎng)景下的應(yīng)用需求，具有在不同狀態(tài)下與不同化學(xué)分子相互作用的潛力，因此是構(gòu)建柔性多功能傳感器的理想候選材料。
近期，中山大學(xué)吳進(jìn)團(tuán)隊(duì)和南京工業(yè)大學(xué)霍峰蔚教授合作，通過(guò)在水凝膠中協(xié)同引入兩種親水性迥異的離子（鋅離子和鋰離子），開(kāi)發(fā)了一種智能自適應(yīng)性水凝膠，它可以輕松快速地在富水和缺水兩種狀態(tài)之間切換，用于構(gòu)建一種具有金屬空氣電池結(jié)構(gòu)的電化學(xué)自供電、柔性、氣體和濕度雙傳感功能可逆切換的化學(xué)傳感器。引入的氧氣可在構(gòu)建的碳布-水凝膠界面發(fā)生氧還原反應(yīng)，改變電路中的電流。所制備的水凝膠可在富水和缺水狀態(tài)之間輕松切換，是器件實(shí)現(xiàn)無(wú)串?dāng)_地感知氧氣和濕度的關(guān)鍵，這是由于氧氣分子和水分子在水凝膠富水和缺水狀態(tài)下能分別作為氧化還原反應(yīng)的限制物和催化劑參與到反應(yīng)中，成為改變電路中電流的主要因素。
在水凝膠的富水狀態(tài)時(shí)，氧氣成為電極-凝膠界面處氧還原反應(yīng)的唯一限制反應(yīng)物，只有其濃度的變化才能導(dǎo)致器件輸出電流的明顯改變，從而實(shí)現(xiàn)了其對(duì)氧氣的特異性感知。在低氧和高氧濃度范圍下的靈敏度分別增加到了 4170.5% 和 705.9%/%，且具有極低的檢測(cè)下限（0.4 ppm O2）和優(yōu)異的選擇性等。利用缺水狀態(tài)的離子導(dǎo)電 PAM 水凝膠制備了具有鋅空氣電池結(jié)構(gòu)的一體化電化學(xué)自驅(qū)動(dòng)濕度傳感器。通過(guò)水脫附策略構(gòu)建的碳布電極-缺水水凝膠界面的界面阻抗大大提升，抑制了器件的氧傳感能力。依靠凝膠網(wǎng)絡(luò)中聚合物基團(tuán)和引入的吸濕性鋰離子的水吸附作用，從環(huán)境中吸附的水分子不僅能參與到氧還原反應(yīng)中，還可以降低界面阻抗并促進(jìn)界面反應(yīng)的進(jìn)行，賦予了濕度傳感器在低濕和高濕范圍下分別高達(dá) 187.6%和380.2%/% RH 的靈敏度，遠(yuǎn)高于對(duì)氧氣的響應(yīng)性。通過(guò)調(diào)控離子導(dǎo)電 PAM 水凝膠中的含水量，實(shí)現(xiàn)了在同一器件中可逆切換的氧氣和濕度雙模態(tài)感知功能。
通過(guò)與電路和無(wú)線傳輸技術(shù)結(jié)合后，該柔性可穿戴無(wú)線傳感器系統(tǒng)可實(shí)時(shí)和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)環(huán)境氧含量、經(jīng)皮氧分壓變化、呼吸和皮膚濕度，在安全、健康管理和非接觸人機(jī)交互領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。該工作以“Self-powered Switchable Gas-Humidity DifunctionalFlexible Chemosensors Based on Smart Adaptable Hydrogel”為題發(fā)表在《Advanced Materials》上。通訊作者為中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院吳進(jìn)副教授和南京工業(yè)大學(xué)柔性電子（未來(lái)技術(shù)）學(xué)院霍峰蔚教授。第一作者為中山大學(xué)研究生丁瓊玲。
