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Adv Sci：暨大劉明賢團(tuán)隊在“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。
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（論文截圖）
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，開發(fā)新型的“綠色”CNT分散劑對于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個月后不發(fā)生沉降。ChNCs的分散效率約為91.1%，高于常見的其他類型的分散劑(圖1)。
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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現(xiàn)自供電。這意味著該TEG可在活動場合下連續(xù)監(jiān)測人體的運(yùn)動情況。另一方面，可將TEG安裝在口罩中，通過監(jiān)測志愿者呼吸頻率來實現(xiàn)健康監(jiān)測(圖2)。
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圖2熱電紙的輸出電壓-溫差曲線以及將器件用于監(jiān)測站立或行走和運(yùn)動后的呼吸情況。
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。向無涂層一端彎曲時，涂層會受到拉應(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)變與相對電阻呈高線性關(guān)系（R2 = 0.998）。涂布紙在不同的彎曲速率下展示出良好的穩(wěn)定性和可恢復(fù)性，具有典型的與彎曲速率無關(guān)的傳感行為。在循環(huán)扭轉(zhuǎn)180°的過程中，也能獲得可重復(fù)且穩(wěn)定的響應(yīng)信號。涂布紙在1000次30%的彎曲循環(huán)測試中保持良好的相對電阻穩(wěn)定性。每個彎曲循環(huán)中幾乎展示出相同的彎曲傳感信號和優(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，這對于實際應(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)動時，展示出了規(guī)律變化的輸出電壓和電流。
QQ截圖20221011111051.png
圖3 CCNT涂布紙的性能和自供電應(yīng)變傳感器應(yīng)用
總之，該研究采用天然來源的ChNCs作為分散劑和粘合劑，通過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各種基材(紙、玻璃和PET)的適應(yīng)性。通過簡單的絲網(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和識別能力，可將熱電壓信號轉(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)測人體的運(yùn)動情況或呼吸變化。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)測人體關(guān)節(jié)運(yùn)動?？傊?，ChNCs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。該論文得到了國家自然科學(xué)基金面上項目、廣東省自然科學(xué)基金項目、廣東省科技計劃項目、廣州市科技計劃項目和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202204675
參考資料：https://www.jnu.edu.cn/2022/1009/c3135a721359/page.htm


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