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Adv Sci：暨大劉明賢團(tuán)隊(duì)在“綠色”碳納米管墨水用于熱電發(fā)電機(jī)方面取得研究進(jìn)展
來(lái)源：暨南大學(xué) 2022-10-11
導(dǎo)讀：近日，暨南大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院劉明賢教授課題組在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊Advanced Science （IF = 17.521）發(fā)表題為“Carbon Nanotube Ink Dispersed by Chitin Nanocrystals for Thermoelectric Converter for Self-Powering Multifunctional Wearable Electronics”的研究論文。
導(dǎo)電墨水在印刷工藝中能快速生產(chǎn)多功能先進(jìn)設(shè)備，例如印刷傳感器、發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)能設(shè)備，尤其是各種柔性可穿戴電子產(chǎn)品。導(dǎo)電墨水的選擇是電子產(chǎn)品特性的關(guān)鍵部分。其中，具有優(yōu)異的電學(xué)和力學(xué)性能的碳納米管(CNT)是柔性可穿戴設(shè)備的理想材料。然而，CNT在溶劑中的不良分散性極大地限制了CNT在可穿戴傳感器制造中的應(yīng)用。因此，開(kāi)發(fā)新型的“綠色”CNT分散劑對(duì)于CNT基墨水在可穿戴電子設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的意義。該研究將從蝦殼中提取的甲殼素納米晶(ChNCs)作為多壁碳納米管(MWCNT)的分散劑，通過(guò)超聲輔助獲得均勻穩(wěn)定的ChNCs/MWCNT（CCNT）墨水。ChNCs與MWCNT之間發(fā)生庫(kù)侖引力、π-π共軛和疏水-疏水相互作用從而使CCNT墨水被放置3個(gè)月后不發(fā)生沉降。ChNCs的分散效率約為91.1%，高于常見(jiàn)的其他類(lèi)型的分散劑(圖1)。圖1 CCNT導(dǎo)電墨水的制備示意圖和性能表征結(jié)果圖。獲得的CCNT導(dǎo)電墨水具有良好的導(dǎo)電性和印刷性，采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)可將CCNT墨水涂布在普通紙上。用銅線將4張5 × 15 mm的CCNT涂布紙串聯(lián)組裝成一個(gè)熱電發(fā)電機(jī)(TEG)。在室溫下該TEG的塞貝克系數(shù)為42.9 μV K-1，表明具有良好的熱電性能，可將其貼在手腕上，收集人體熱量從而實(shí)現(xiàn)自供電。這意味著該TEG可在活動(dòng)場(chǎng)合下連續(xù)監(jiān)測(cè)人體的運(yùn)動(dòng)情況。另一方面，可將TEG安裝在口罩中，通過(guò)監(jiān)測(cè)志愿者呼吸頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)健康監(jiān)測(cè)(圖2)。圖2熱電紙的輸出電壓-溫差曲線以及將器件用于監(jiān)測(cè)站立或行走和運(yùn)動(dòng)后的呼吸情況。CCNT涂布紙基熱電紙不僅具有良好的溫度響應(yīng)性能，而且由于其具有良好的柔性，還具有作為應(yīng)變傳感器的潛力。將涂布紙作為應(yīng)變傳感器，傳感機(jī)制如圖3所示。向無(wú)涂層一端彎曲時(shí)，涂層會(huì)受到拉應(yīng)力，微裂紋擴(kuò)散和傳播，導(dǎo)致導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)破壞，阻力增大。彎曲應(yīng)變與相對(duì)電阻呈高線性關(guān)系（R2 = 0.998）。涂布紙?jiān)诓煌膹澢俾氏抡故境隽己玫姆€(wěn)定性和可恢復(fù)性，具有典型的與彎曲速率無(wú)關(guān)的傳感行為。在循環(huán)扭轉(zhuǎn)180°的過(guò)程中，也能獲得可重復(fù)且穩(wěn)定的響應(yīng)信號(hào)。涂布紙?jiān)?000次30%的彎曲循環(huán)測(cè)試中保持良好的相對(duì)電阻穩(wěn)定性。每個(gè)彎曲循環(huán)中幾乎展示出相同的彎曲傳感信號(hào)和優(yōu)異的再現(xiàn)性，表明涂布紙具有良好的機(jī)械靈活性和耐久性，這對(duì)于實(shí)際應(yīng)用中的可穿戴傳感器至關(guān)重要。在穩(wěn)定狀態(tài)下，由于環(huán)境與皮膚之間的溫差，熱電紙產(chǎn)生了穩(wěn)定的輸出電壓。當(dāng)志愿者的關(guān)節(jié)做反復(fù)彎曲運(yùn)動(dòng)時(shí)，展示出了規(guī)律變化的輸出電壓和電流。圖3 CCNT涂布紙的性能和自供電應(yīng)變傳感器應(yīng)用總之，該研究采用天然來(lái)源的ChNCs作為分散劑和粘合劑，通過(guò)超聲輔助成功地制備了均勻、穩(wěn)定的MWCNT基墨水。該墨水具有良好的印刷性和對(duì)各種基材(紙、玻璃和PET)的適應(yīng)性。通過(guò)簡(jiǎn)單的絲網(wǎng)印刷技術(shù)，將CCNT墨水涂布在纖維素紙的表面，制備了具有良好熱電性能的涂布紙。該熱電紙具有精確的溫度檢測(cè)和識(shí)別能力，可將熱電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為音符，可以直接安裝在志愿者的手臂上或口罩中，以監(jiān)測(cè)人體的運(yùn)動(dòng)情況或呼吸變化。此外，由于紙基具有良好的柔韌性，組裝的自供電應(yīng)變傳感器可以靈敏地監(jiān)測(cè)人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)?？傊珻hNCs分散的MWCNT基導(dǎo)電墨水在自供電多功能可穿戴電子產(chǎn)品中具有廣闊的應(yīng)用前景。論文第一作者為化學(xué)與材料學(xué)院博士生何韻晴，唯一通訊作者是劉明賢教授。該論文得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目、廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目、廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)的資助。參考資料：https://www.jnu.edu.cn/2022/1009/c3135a721359/page.htm
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