齊魯工業大學：研發細菌纖維素離子熱電水凝膠用于自供電傳感器！

柔性可穿戴電子設備在智能機器人、電子皮膚和生物醫學領域具有巨大的潛力，因其便攜性、可拉伸性和生物相容性而備受關注。由剛性材料制成的傳統傳感器具有在循環應變期間和存在環境危害時電輸出信號不穩定的缺點。盡管由外部電池供電的應變傳感器受到了相當大的研究關注，但頻繁的充放電循環嚴重限制了其實際應用。因此，高靈敏度、環境穩定性、優異的機械性能和自供電能力已成為可穿戴設備的基本要求。然而，制備具有這些特性的多功能電子器件具有挑戰性。

目前對自供電柔性傳感器的研究主要集中在壓電納米發電機（PENG）、摩擦納米發電機（TENG）和熱電發電機（TEG）。其中，基于塞貝克效應的TEG可以將人體產生的熱量持續轉化為可再生電能，從而解決多功能傳感器的自供電問題。然而，由無機熱電材料制成的TEG具有較差的拉伸性能，這限制了監測人類活動的信號收集。近年來，通過結合有機聚合物和離子液體、聚電解質和無機鹽制備的離子水凝膠獲得了顯著的關注，它們的塞貝克系數約為mV K?1。溫度梯度導致電解質中陽離子和陰離子的遷移率不同，從而產生能夠獲得低溫熱能的電壓差。離子凝膠內的聚合物分子鏈相互連接或糾纏，形成致密的空間網狀結構，該結構具有優異的機械性能并提供離子遷移通道。結構間隙中的陰離子和陽離子通過與聚合物的官能團形成配體鍵而充當電解質，并分散在整個離子凝膠中以實現電信號響應。因此，由于離子導電水凝膠基熱電發生器具有良好的機械性能和優異的熱電電壓，因此適合于制造柔性自供電傳感器。

細菌纖維素（BC）是一種由木糖醋桿菌生物合成的生物聚合物，具有大規模生產、優異的機械性能和豐富的多孔微觀結構的優點，可作為制備離子凝膠的堅固支撐材料。BC通過機械交聯、化學交聯和特征修正已廣泛應用于電池、超級水凝膠以及其他儲能和轉換應用。在納米級水平上，強大的表面效應和分子相互作用可以適應不同的流動場景，并為低級別的熱收集提供豐富的機會。因此，離子-纖維素和協同的離子-離子相互作用可以促進離子束的離解，并導致離子在熱梯度下的選擇性遷移，從而產生優異的熱電響應性能。

本文亮點

1. 本工作報道了一種2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧基（TEMPO）-氧化羧化細菌纖維素（TOBC）配位雙網絡離子熱電水凝膠，該水凝膠以雙（三氟甲烷）磺酰亞胺鋰（LiTFSI）作為熱擴散的離子提供方，因為LiTFSI表現出優異的熱電性能，在20K的溫差下具有高達538 nW的功率輸出。

2. 離子和水凝膠基質之間的相互作用促進了導電離子的選擇性傳輸，產生11.53 mV K?1的高塞貝克系數。

3. 聚丙烯酰胺（PAAm）網絡內的氫鍵和TOBC內硼酸酯鍵內的相互作用賦予水凝膠優異的機械性能，使得拉伸變形399%時的應力值達到0.85 MPa。

來源：傳感器專家網