武汉工程大学《Carbon》：3D自组装皱巴巴多孔碳微胶囊，用于可穿戴电子产品

成果简介

新兴的物联网行业对自给自足的多模态柔性可穿戴电子产品产生了浓厚的兴趣。然而，使用单一工艺和材料制造用于自给自足的柔性电子产品的各种功能模块仍然具有挑战性。本文，武汉工程大学蒋灿 副教授团队在《Carbon》期刊发表名为“3D self-assembled crumpled porous carbon microcapsules as a versatile platform for self-sustainable multi-modal wearable electronics”的论文，研究通过乙醇辅助喷雾干燥和碳化，将单分散木质素磺酸盐还原氧化石墨烯纳米片转化为三维自组装多孔碳微胶囊（LRCMCs）。由于其发达的多孔结构、良好的导电性和在特定溶剂中的分散性，所得的LRCMC可以作为一个多功能平台，通过简单的溶剂滴铸和转移印刷技术，在柔性Ecoflex基板上制造各种图案化的柔性传感器和超级电容器。

结果表明，基于LRCMCs的柔性应变传感器的灵敏度和探测范围可以通过图案化设计得到有效定制。其中，直线图案柔性传感器具有∼219的极高标距系数（GF）、宽检测范围（0-225%）、出色的机械耐久性和循环稳定性（3000次循环），适用于人体生理和身体活动检测。此外，还构建了一种基于LRCMCs的柔性湿度传感器，可以定量测量环境湿度并监测人体出汗行为。为了实现多模态柔性电子器件的自持性，还以LRCMCs为电极材料制备了柔性超级电容器，以提供足够的能量密度和驱动电压。

图文导读

图1.（a） 皱巴巴的多孔LRCMCs的制备过程示意图;（b-e）（b， f） LS、（c， g） GO、（d， h） 空心 LRGO MC 和 （e， i） 皱巴巴的 LRCMC 的 SEM 和 （f–i） TEM 照片。（h）和（i）中的插图是相应的选定区域电子衍射（SAED）图像。

图2.（a） GO、LS及其混合物还原12、24、36、48、60和72 h后的紫外-可见光谱;GO、LS、LRGO MC和LRCMCs的（b）傅里叶变换红外光谱、（c）拉曼光谱、（d）高分辨率XPS C 1s光谱和（e）XRD图谱;（f） N2LRCMCs的吸附-脱附等温线和相应的孔径分布（插图）

图3.（a） 图案化LRCMCs/Ecoflex薄膜的制备过程示意图;（b） LRCMCs/Ecoflex薄膜在各种机械变形下的数码照片，显示出优异的柔韧性;（c） 使用PI胶带去除粘附循环5次后LRCMCs/Ecoflex薄膜的电阻变化图像（上图）和与LRCMCs/Ecoflex薄膜连接的红色发光二极管（LED）在不同应变下的亮度变化图（下图）;（d） LRCMCs/Ecoflex薄膜的俯视图和（e）横截面SEM照片

图4、基于LRCMCs的柔性应变传感器的制备与性能

图5、基于LRCMCs的柔性湿度传感器的性能

图6.LRCMCs电极在6 M KOH中的电化学性能

小结

本研究采用生物质衍生的LS作为绿色还原剂，有效还原GO纳米片。随后，利用乙醇辅助喷雾干燥和碳化技术，将这些单分散的LS-RGO纳米片成功自组装成具有中空多孔结构和高导电性的LRCMCs。更重要的是，所制备的LRCMCs在特定溶剂中表现出优异的分散性，允许其用作导电油墨，通过溶剂滴铸和转移印刷技术在柔性Ecoflex基材上形成各种LRCMCs导电图案。因此，可以很容易地设计出各种图案化的柔性电路，用于各种传感和储能应用。

本工作通过简单的图案化设计，可以有效地调整柔性应变传感器的灵敏度和检测范围，以满足各种应用需求。结果表明，直线应变传感器具有灵敏度高、检测范围广、线性保真度高、耐久性好等优良的传感性能，能够检测人体生理和物理运动。然而，具有较大半径的蛇形应变传感器的灵敏度明显降低，表现出优异的抗变形能力。在一定的变形（0-100%）下，电阻保持相对稳定，使其成为多模态柔性电子的理想可拉伸导体。相反，减小蛇形图案的曲率会导致应变传感器的灵敏度提高和检测范围缩小。此外，通过在叉指的LRCMCs导电图案上涂覆LRCMCs/羧甲基纤维素薄膜，开发了一种湿度传感器，该传感器能够灵敏地检测环境湿度和人体汗液。此外，f-SC使用LRCMC作为电极材料进行组装，在为多模态柔性电子器件供电方面表现出优异的稳定性和灵活性。综上所述，本研究提出了一种制造多个传感器和f-SC的通用策略，证明了它们在构建自持多模态柔性电子学方面的可行性。

文献：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.118757