闽江学院&武夷学院&宾夕法尼亚州立大学：Nano Letters

随着智能穿戴设备的迅速发展，柔性可穿戴气体传感器由于其轻便、柔韧易弯曲、拉伸性好、可大面积制备、亲肤灵活等优点也成为了未来的发展趋势，在医疗保健、环境健康监测和军事用途等方面具有潜在的发展前景。然而，实现柔性可穿戴气体传感器的高分辨、高灵敏、快速响应、低成本制造和复杂信号检测仍然是一个很大的挑战。

有鉴于此，闽江学院海洋传感功能材料福建省重点实验室张诚副研究员、陈华民副教授、杨艳辉教授、王军教授联合武夷学院丁晓红博士和宾夕法尼亚州立大学程寰宇教授团队合作，报道了基于褶皱形貌三维多孔石墨烯/迈科烯(graphene/MXene)复合材料的自充电、穿戴式气体传感器系统。该系统联合摩擦纳米发电机与整流器，将人体运动中低频、离散的械能转化为连续、稳定的电能并以电化学能的形式存储于超级电容器阵列中，以驱动具有自加热功能的柔性可穿戴气体传感器和无线传输电路，并实现了对人体呼出气体以及日常生活气体环境的实时准确监测！

图1：自充电、穿戴式气体传感系统的示意图以及气体传感性能。

在功能材料设计中，研究人员提出了联合图案化激光还原技术与预拉伸策略制备了褶皱形貌的三维多孔graphene/MXene材料。这种具有褶皱形貌的复合材料具有优异导电性、机械柔性、增强电子/离子/分子传输的三维互通结构、更大活性位点。此外，所有器件均采用蛇形导线互联岛桥构型设计，这种互联结构不仅赋予器件柔性可延展，而且利用串/并联连接实现器件输出电特性的有效调控；在材料与器件大规模、低成本制备和集成方面，自充电、穿戴式气体传感系统中所有电子器件均采用基于低成本、快速高效的激光直写技术研制获得，便于大规模制备、推广及商业应用。该成果以《Laser Processing of Crumpled Porous Graphene/MXene Nanocomposites for a Standalone Gas Sensing System》为题发表于美国化学学会旗下学术期刊Nano Letters (IF=12.262)。

图2：自充电、穿戴式气体传感系统的示意图、等效电路、输出电性能以及气体传感性能。

自充电柔性可延展集成传感器件近年来成为新型微电子技术研究的热点，是适应人与信息交互融合发展趋势的革新性技术。通过材料、器件构型及系统集成的创新设计，实现传感系统在不规则非可展曲面的人体表面的紧密贴合、动态传感、监测、处理以及有效的主动控制，有望实现个性化定制以提供更可靠的人体信息，对于推动健康监护、智慧医疗等领域的发展以及提高人类生活质量具有重要的战略意义。

这项工作得到了国家自然科学基金(52002162, 12174172)、福建省自然科学基金(2021J011040, 2021J05249)、福州市科技计划项目（2021-SG-273）以及闽江学院青年人才优培计划的支持。此外，张诚副研究员和王军教授团队采用激光直写技术，发展了一系列高性能石墨烯基纳米复合材料与柔性电子器件，并成功应用于人体健康监护。（Appl. Phys. Rev. 2022, 9, 011413; Nano Energy, 2021,81, 105609; Dalton Trans., 2022, 51, 2846; Adv. Mater., 2023, 2210322）。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.3c00454

本文由作者供稿