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太原理工大學張虎林教授團隊 ACS AMI：基于熱電凝膠的自供電呼吸監測策略

2022-10-24 來源：高分子科技

作為一種低品位的可持續熱源，人體呼吸造成的呼吸余熱總是被忽略，盡管它產生的溫度大于環境溫度。將這些熱量轉化為電能或作為檢測信號在可穿戴醫學中極其重要。這種熱--電的轉換是可以通過熱電水凝膠來實現的。然而，凝膠的抗凍和抗干燥性能仍然存在挑戰，這嚴重限制了熱電凝膠在實際應用中的耐久性。

圖1. PVA/GEL-GL熱電凝膠的設計

近期，太原理工大學信息與計算機學院張虎林教授團隊制備了以Fe(CN)₆^3?/4?作為氧化還原對的雙網絡聚乙烯醇/明膠（PVA/GEL）凝膠熱電器件（圖1）。它具有優異的耐低溫性和抗干燥能力。這些特征是由于使用了二元溶劑（水/甘油）來限制水分子之間的氫鍵。制備的熱電凝膠貼片能夠利用環境和人體呼吸產生的熱量之間的溫度差，輕松地將生理數據轉換為容易理解的電脈沖信號，首次實現了簡單的自供電呼吸監測策略。即使在0℃以下，位于口罩當中的凝膠貼片也可以正常工作，這意味著它可以適應低溫環境。這項研究將會為低水平熱驅動的可穿戴醫療電子設備的發展提供了新的思路。該工作以“Self-Powered Respiratory Monitoring Strategy Based on Adaptive Dual-Network Thermogalvanic Hydrogels”為題發表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。文章第一作者是太原理工大學碩士研究生李學標，通訊作者為張虎林教授，該研究得到了山西省自然科學基金項目的支持。

圖2.PVA/GEL-GL熱電水凝膠的機械性能

圖3.PVA/GEL-GL水凝膠的熱電性能

圖4.基于口罩內的雙網絡熱電凝膠呼吸監測的概念證明

該工作是張虎林教授團隊近期關于凝膠熱電器件的研究與應用的最新進展之一。這項工作推動了熱電凝膠用于收獲人體余熱和可穿戴智能柔性電子設備的發展。在過去的兩年中，團隊制備了一系列基于不同聚合物網絡和熱電化學氧化還原對的熱電水凝膠器件，并致力于開拓凝膠熱電器件的應用場景。如制備的透明可拉伸熱電電解質水凝膠可用于實現太陽能收集，通過植入PDMS太陽能吸收器，組裝好的太陽能熱電凝膠裝置在陽光照射可以吸收太陽能轉化為電能（Nano Energy 2022,100,107449）。開發了一種以I^-/I₃^-為氧化還原對的凝膠電解質熱電裝置的溫度監測系統，可作為一種舒適的人體監測電子皮膚。它還可以用于建立一個智能窗口系統，用于自動監測室內或室外的溫度，即使是在極端天氣中（J. Mater. Chem. C, 2022,10,13789-13796）。通過在凝膠中植入微孔的聚偏氟乙烯隔膜，研制了一種以Fe³⁺/Fe²⁺為氧化還原對的具有低熱導率的凝膠熱電器件，降低的導熱系數有效地提高了塞貝克系數。考慮到凝膠優越的溫度響應，將凝膠共形固定在前額上，建立了自供電體溫監測系統（ACS Appl.Mater.Interfaces 2021 13, 37316）。

原文鏈接 https://doi.org/10.1021/acsami.2c14239

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（責任編輯：xu）

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