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大連工業(yè)大學(xué)王海松教授團隊 AFM：纖維素基水凝膠傳感器新進展

2025-01-20 來源：高分子科技

隨著物聯(lián)網(wǎng)以及人工智能在現(xiàn)實生活中的逐步普及，可穿戴柔性傳感器因其簡單的制造工藝和成熟的信號處理技術(shù)引起了廣泛關(guān)注。其中，纖維素基水凝膠傳感系統(tǒng)由于具有獨特的三維結(jié)構(gòu)、可生物降解性以及良好的機械性能等優(yōu)勢，是目前柔性可穿戴器件的研究熱點。然而，傳統(tǒng)植物纖維材料易縮水和低導(dǎo)電性極大地限制了其在柔性傳感器件領(lǐng)域的應(yīng)用和普及。基于此，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計改善植物纖維基傳感器的導(dǎo)電性和靈敏度，并應(yīng)用于摩擦電納米發(fā)電機、超級電容器和傳感器組成的柔性集成傳感微系統(tǒng)具有重要意義。

近日，大連工業(yè)大學(xué)輕工與化學(xué)工程學(xué)院生物基纖維材料與化學(xué)品團隊利用d-π共軛策略提高2D MOF的電導(dǎo)率增強纖維素基水凝膠傳感器靈敏度，研究成果以“Tuning the d_xy Orbital Energy Level in 2D Cobalt-Organic-Framework via in-Plane Conjugated Phthalocyanine for Self-Powered Sensing”為題發(fā)表于《Advanced Functional Materials》。

二維金屬有機框架(2D MOF)具有較高的電導(dǎo)率，而原子軌道相關(guān)的調(diào)控對于促進傳感應(yīng)用中的電子轉(zhuǎn)移動力學(xué)至關(guān)重要。本研究利用d-π共軛策略進一步提高2D MOF的電導(dǎo)率并成功用于纖維素基水凝膠傳感器。實驗選擇具有大共軛體系的酞菁(Pc)分子來修飾2D MOF，通過密度泛函理論(DFT)模擬，發(fā)現(xiàn)2D MOF與Pc之間的強d-π共軛作用可以顯著提高2D MOF中過渡金屬Co中低能軌道(d_xy)能級，這主要是因為Pc到2D MOF單元的離域π電子排斥原來的d_xy電子，從而促進了2D MOF@Pc中的電子轉(zhuǎn)移。結(jié)果表明，2D MOF@Pc纖維素基導(dǎo)電水凝膠由于增強的電子轉(zhuǎn)移動力學(xué)而實現(xiàn)了78 S m^?1的最高電導(dǎo)率。本文研究工作為解決2D MOF納米片在植物纖維基傳感領(lǐng)域中固有的低電導(dǎo)率問題提出了一種漸進的有效調(diào)控策略。

圖1. DFT模擬2D MOF與Pc之間的強d-π共軛作用以及d_xy的軌道能級提升示意圖

圖2. 2D MOF@Pc導(dǎo)電纖維素基水凝膠的應(yīng)變傳感性能

圖3. 2D MOF@Pc導(dǎo)電纖維素基水凝膠在水下運動監(jiān)測中的應(yīng)用

研究結(jié)論：本文用Pc修飾2D MOF以調(diào)節(jié)低能軌道d_xy的軌道能級，2D MOF@Pc獲得了更高的電導(dǎo)率。2D MOF@Pc制備的纖維素基水凝膠作為摩擦電納米發(fā)電機、超級電容器和傳感器模塊的關(guān)鍵部件，組裝的自供電傳感微系統(tǒng)的整體性能得到了加強，靈敏度提高了75%。這項工作不僅為提高2D MOF的電導(dǎo)率及纖維素基凝膠傳感器靈敏度提供了理論支撐，這種有效的策略還可以擴展到其他先進電極材料的設(shè)計。

研究得到國家自然科學(xué)基金項目和遼寧省高校基礎(chǔ)研究基金資助。大連工業(yè)大學(xué)2021級生物質(zhì)能源與材料專業(yè)博士研究生岳嘉繼為論文第一作者，大連工業(yè)大學(xué)王海松教授、杜健副教授和加拿大卡爾加里大學(xué)胡勁光副教授為論文通訊作者。

文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202418474

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（責(zé)任編輯：xu）

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