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九卅娱乐高义华教授团队在超级电容与压阻传感领域取得系列进展
发布时间:2018-06-28

随着便携、可穿戴电子器件的广泛应用,微型超级电容器作为能源供应的基本单元作用开始凸显。超级电容器-光探测器作为典型的多功能集成系统,在化学生物感知、药物治疗和环境监控展现出极大的优势。但是,目前已知的超级电容器-光探测器集成系统都是采用外部连接方式,这样会加大能量与空间的浪费。所以,对超级电容器赋予自修复性、增加高性能下载量和内部自连接的研究在实际应用领域尤为重要。然而,微型超级电容器在实际应用中极易受到机械损伤而导致其性能被破坏。同时,超级电容器活性材料载量普遍很低,且随载量增加电容器性能显著下降。

 

基于此,高义华教授团队制备出具有优异机械性能的MXene-rGO复合气凝胶,该复合气凝胶结合rGO的大比表面积和MXene的高导电性,有效防止了层状结构的自堆叠。基于该气凝胶的微型超级电容器提供了高达34.6mF/cm2的面积比电容,并在经过15000次循环后仍能保留高达91%的电容量。通过进一步包裹具有自修复性能的聚氨酯外壳,器件展现了出色的自修复能力(第五次愈合后保留81.7%的电容量)。该工作于2018412日在线发表于美国化学学会旗下著名期刊《ACS Nano(影响因子13.70)上。

 

微型柔性传感器一直是智能设备的重要组成部件,因其具有良好的柔韧性,可弯曲性穿戴舒适性等特点,在物联网、智能产业等领域受到广泛关注。微型柔性压阻式传感器在人机界面和电子皮肤等领域被学界寄予厚望。然而,大多数柔性压阻式传感器的制造过程比较复杂且灵敏度不高。如何实现大规模且低成本的制造并巧妙地设计传感器的结构成为了当前研究领域的热点。

 

412日,美国化学学会旗下著名期刊《ACS Nano》同日刊发了高义华教授团队的另一项研究成果:《MXene/还原氧化石墨烯协同复合的三维气凝胶压阻传感器》(3D Synergistical MXene/Reduced Graphen Oxide Aerogel for a Piezoresistive Sensor)团队成员制备了基于MXene/rGO复合三维气凝胶结构的高灵敏传感器。他们将尺寸较小的MXene纳米片分散于氧化石墨烯的纳米片胶体溶液中,通过真空冻干和低温退火,合成出MXene/rGO复合三维气凝胶结构。将此材料应用于传感器活性部件能大大提高机械强度,其灵敏度(22.56kPa-1)、稳定性(10000)、响应速度(200ms)和检测灵敏度(10Pa以下)等指标都高于很多同类的碳材料和高分子聚合物。

 

57日,综合科学类权威学术期刊《Nano Energy(影响因子13.12)在线发表高义华教授团队了题为《三维复合多孔的Mxene-海绵网络及其在压阻式传感器的应用》(3D hybrid porous Mxene-sponge network and its application in piezoresistive sensor)的研究成果。团队成员采用简单的浸渍干燥法将具有二维层状结构的MXene纳米片复合到具有高度可压缩性能的海绵骨架上,制备出了具备高灵敏度的柔性MXene-海绵复合压敏材料。并进一步引入一层通过静电纺丝法制备的PVA纳米线网络制备出了一种高性能的压阻式传感器。该纳米线网络能有效隔离活性材料之间的导电通路,由此研制出的传感器在受压力时其内部的电学传输路径急剧增多,从而表现出高达442kPa-1的灵敏度、低至9Pa的探测极限和可经历10000次压力循环的稳定性。与传统的压阻式传感器相比,该传感器制作工艺简单而性能优异。该工作为低成本,大规模的制备高性能压阻式传感器提供了新思路。

 

近几个月来,高义华教授团队硕果频出,已发表高水平科研论文多篇,其中Acs Nano 2篇,Nano Energy 1篇,Small 1篇,J. Mater. Chem. C 1篇,J. Mater. Chem. A 1篇。相关研究工作得到了国家自然科学基金项目和湖北省自然科学基金资助

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