陕科大蒋学教授团队《Carbohyd. Polym.》:用于湿气发电和湿度传感的纤维素基高度有序不对称蜂窝膜

2022-07-07 来源：高分子科技

近日，陕西科技大学生物质化学与功能材料团队蒋学教授/陈婷博士生等人报道了一种高度有序不对称蜂窝结构的纤维素膜，并用于湿度传感和湿气发电。相关研究成果发表于高分子领域顶级期刊Carbohydrate Polymers上。

图1 银纳米线/醋酸纤维素基（AgNWs/CAL）蜂窝膜制备原理图

随着柔性可穿戴电子设备的蓬勃发展，已被广泛应用于运动监测、医疗诊断和保健等领域。湿气发电机（MEG）可将无处不在的湿气的化学能转化为电能，为制造可穿戴电子产品的电源提供了一种简便、智能、绿色的方法。然而，基于纤维素的MEG中的离子浓度梯度和电场容易塌陷。因此，建立稳定的离子浓度梯度对于提高纤维素基MEG的持续稳定输出电压至关重要。不对称结构在形成浓度梯度以驱动离子在特定方向扩散方面具有很大的潜力。几种类型的不对称结构，包括官能团/带电离子的不对称分布，不对称电极和不对称水分扩散。然而，大多数不对称的多孔材料是通过复合和表面处理形成的，导致工艺复杂，孔隙无序和尺寸无法控制。本文通过呼吸图案法制备了一种高度有序的不对称纤维素基蜂窝膜。不对称有序多孔结构不仅增加了自由质子浓度梯度，并且缩短了扩散路径，有效降低了传质和扩散阻力，显示了其在高灵敏地湿度传感和湿气发电方面的巨大潜力。此外，所设计的AgNWs/CAL蜂窝膜对人体运动显示出克重复且有规律的电信号，证明该蜂窝膜可以准确地监测人体的关节活动。

图2 呼吸图案法制备纤维素基高度有序不对称蜂窝膜（A）CAL蜂窝膜的扫描电镜图和超景深显微镜图；（B）AgNWs/CAL蜂窝膜的SEM图和电化学性能。

图3 AgNWs/CAL蜂窝膜的人体运动传感

AgNWs/CAL蜂窝膜具有良好的柔性，归因于膜的超薄和可拉伸的蜂窝结构。经AgNWs/CAL蜂窝膜在拉伸-恢复循环（拉伸力逐渐增加）期间产生了明显的尖锐、可重复的电信号，并且具有高灵敏度。此外，AgNWs/CAL蜂窝膜依次被贴在人体不同的关节（食指关节和手背）上，实现对不同肢体运动的实时监测能力。。

图4 AgNWs/CAL蜂窝膜的湿度传感性能和不同相对环境湿度条件下的传感机制

图4是在不同相对环境湿度（RH）下AgNWs/CAL蜂窝膜的湿度传感性能和机制。在低RH下，蜂窝膜表面的亲水基团与水分子直接形成氢键（图4（a）），相邻的氢键限制了水分子在低相对湿度下的自由流动，导致电流几乎恒定，ΔR/R₀的波动范围很小。当RH达到中等水平时，ΔR/R₀变化较大，水分子开始自由移动并通过Grotthuss质子传输机制（H₂O + H⁺ ~ H₃O⁺ 和 H₂O + H₃O⁺ ~ H₃O⁺ + H₂O）破坏原有的氢键（图4 (b)）。当RH增加到90%后，吸附在表面的水分子由于施加的电场而容易电离，质子在相邻水分子和AgNWs网络中进行跳跃和扩散（图4（c））。此外，独特的蜂窝结构可以加速水分子的吸收和解吸速度，有助于实现AgNWs/CAL膜的高灵敏响应。

图5 AgNWs/CAL蜂窝膜的湿电转化性能和机制

图5是AgNWs/CAL蜂窝膜的湿电转化性能和机制。控制湿气流动的速率为30 mL/h,时间为1000 s，C-MEG的输出电压（Voc）高达302 mV，且C-MEG的Voc与湿气之间存在显著相关性。C-MEG在间歇性湿气供给下的实时电流密度变化，展示了可重复且有规律的电信号，证明AgNWs/CAL蜂窝膜的多不对称结构（不对称电极和不对称水分扩散通道）和纳米传输通道的结构设计在纤维素基湿气发电材料的可靠性。

相关成果以“Highly ordered asymmetric cellulose-based honeycomb membrane for moisture-electricity generation and humidity sensing”为题发表在Carbohydrate Polymers (DOI: )上。陕西科技大学博士研究生陈婷为第一作者，蒋学教授为本论文的通讯作者。

论文DOI链接：https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2022.119809

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（责任编辑：xu）

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