大连工业大学王海松教授课题组CEJ：基于还原氧化石墨烯缺陷修补的高韧性导电水凝胶用于自供电柔性传感微系统

研究背景

随着物联网和人工智能的快速发展，人们迫切需要开发灵活、便携、可穿戴的电子设备。目前，开发摩擦电纳米发电机、超级电容器和传感器组成的柔性集成传感微系统越来越受到人们的关注。在这三个模块中，设计具有柔韧性、可拉伸性和生物相容性的导电水凝胶是关键，传统的水凝胶机械强度差，导电性有限，不能满足不同场景的实际要求。目前解决的有效策略通常是加入导电填料，特别是层状二维石墨烯。但在原始石墨的氧化剥落过程以及随后的还原过程中，不可避免地会形成多种形态缺陷，阻碍了导电性能。与完美的二维石墨烯材料相比，还原氧化石墨烯基面上缺陷的存在明显降低了其机械强度，而传统的修复方法，如激光照射、高温、还原剂等，通常涉及昂贵的设备和耗时的修复过程。所以目前迫切需要一种简便、可重复的方法来大规模生产高质量的石墨烯薄片来改善柔性导电水凝胶的性能。

文章概述

近日，大连工业大学王海松教授团队报道了一种简单有效的利用碳化金属-有机骨架(CMOF)修复还原氧化石墨烯缺陷的方法。缺陷区域固定的CMOF充当了电子快速通过的桥梁，提高了还原氧化石墨烯对负载机械能的耐受性。含缺陷修补后的还原氧化石墨烯的水凝胶不仅具有良好的力学性能(抗拉强度为195 kPa)和高电导率(2.42 S/m)，组装成摩擦纳米发电机、超级电容器和传感器器件时，展现出增强的电输出性能。更重要的是，该传感器具有较高的灵敏度(GF为14.68，响应时间短为40 ms)，能够有效识别复杂的人体活动，并能在较窄的范围内准确检测皮肤的温度波动。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在检测和识别人体表情、运动和生理信号方面的巨大兼容性和可行性。研究结果为大规模生产无缺陷二维碳质材料提供了可靠的缺陷修补策略，促进了可穿戴设备中高性能自供电传感微系统的发展。该成果以“Highly tough and conductive hydrogel based on defect-patched reduction graphene oxide for high-performance self-powered flexible sensing micro-system”为题发表在Chemical Engineering Journal上。

图文导读

图1. 集成柔性自供电传感微系统的设计概念

图2. 水凝胶在人体活动监测中的应用

图3. 水凝胶在人体体温监测中的应用

图4. 水凝胶在超级电容器中的应用

图5. 水凝胶在摩擦纳米发电机中的应用

总结

这项研究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。在缺陷区域锚定的CMOF不仅修复了rGO基面，而且赋予rGO-CMOF/DNH增强的抗拉强度（~195 kPa）、断裂伸长率（~360%）、电导率（2.42 S/m）和机械耐久性。这种策略克服了rGO在提高基于rGO水凝胶的可穿戴智能设备的整体性能方面的内在局限性。此外，rGO-CMOF/DNH超级电容器和TENG的电荷存储容量和能量转换效率也得到了提高，可以集成为绿色电源模块和储能模块。考虑到快速响应时间、超灵敏和优异的抗疲劳性能，这种附着在人体上的rGO-CMOF/DNH传感器能够及时监测运动、生理信号和情绪，实现个性化医疗。这项工作为未来构建高性能柔性、可穿戴和自供电传感微系统提供一个新思路。

文章第一作者是大连工业大学2021级生物质能源与材料专业岳嘉继博士，通讯作者为大连工业大学生物基纤维材料与化学品团队负责人王海松教授和杜健副教授。研究工作得到了国家自然科学基金委、辽宁省自然科学基金、齐鲁工业大学制浆造纸科学与技术教育部重点实验室及兴辽英才计划科技创新领军人才项目的资助。