大连工业大学《CEJ》：基于缺陷修补还原氧化石墨烯的高韧性导电水凝胶，用于高性能自供电柔性传感微系统

成果简介

坚韧导电还原氧化石墨烯（rGO）基水凝胶在各种柔性可穿戴电子产品中具有广阔的应用前景。然而，一个经常被忽视的现象是，在合成过程中，rGO的基底面不可避免地形成了许多缺陷区域，从而降低了可穿戴设备的物理特性和整体性能。

本文，大连工业大学杜健副教授、王海松教授团队在《Chem. Eng. J》期刊发表名为“Highly tough and conductive hydrogel based on defect-patched reduction graphene oxide for high-performance self-powered flexible sensing micro-system”的论文，研究提出了一种简单有效的缺陷修补工程，通过碳化金属有机骨架（CMOF）修复rGO。缺陷区域的固定CMOF充当桥梁，允许电子快速通过并增强rGO对负载机械能的耐受性。所制备的含有缺陷修补rGO薄片的优化水凝胶不仅具有令人满意的机械性能（例如，抗拉强度为195kPa）和高导电性（2.42S/m），而且在组装到摩擦电纳米发电机，超级电容器和传感器器件中时表现出增强的电输出性能。

更重要的是，具有高灵敏度（表压因子（GF）为14.68，响应时间短至40 ms）的传感器能够有效区分复杂的人体活动，并准确检测窄范围内皮肤的温度波动。作为概念验证，由电源、储能和传感单元组成的一体化柔性智能微系统证明了可穿戴电子产品在检测和识别人体表情、运动和生理信号方面具有很大的兼容性和可行性。研究结果为无缺陷二维碳质材料的大规模生产提出了可靠的缺陷修补策略，推动了可穿戴设备中高性能自供电传感微系统的发展。

图文导读

方案1.（a） 制造GO-CMOF/DNH的示意图和（b）集成自供电传感微系统的设计概念。

图1.（a） GO、（b） rGO、（c） rGO-CMOF、（h） DNH、（l） rGO/DNH 和 （j） rGO-CMOF/DNH 的低倍和高倍率 SEM 图像。（d-g） rGO-CMOF 和 （k-n） rGO-CMOF/DNH 的元素映射图像。

图2、修补rGO缺陷的特征

图3.（a） RGO-CMOF/DNH 对各种基质的粘附性能。（b） DNH、rGO/DNH 和 RGO-CMOF/DNH 的典型拉伸应力-应变曲线。（c） rGO-CMOF/DNH 在重复压缩 500 次循环前后的照片。（d） RGO-CMOF/DNH 结和打结拉伸的照片。（e） rGO-CMOF/DNH 在 ε=98% 时的压缩应变曲线。（f） RGO-CMOF/DNH 的形状定制。（g） rGO-CMOF/DNH 起重重量照片，（h） rGO-CMOF/DNH 在 ε=300% 时的连续循环拉伸应力-应变曲线。

图4、RGO-CMOF/DNH 传感器的应变传感行为

图5、RGO-CMOF/DNH 传感器的温度传感特性

图6、RGO-CMOF/DNH 超级电容器的电化学性能

图7、RGO-CMOF/DNH TENG 的电输出性能

小结

综上所述，成功制备了一种基于碳化MOF缺陷修补rGO的高韧性导电水凝胶，用于组装柔性自供电传感系统。研究结果在构建具有传统可充电电池重温的高性能柔性、可穿戴和自供电传感微系统方面具有广阔的应用前景。

文献：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143358