成果简介
本文，滑铁卢大学 Yimin A. Wu 等研究人员在《Inorg. Chem. Front.》期刊发表名为““All-in-one” polypyrrole pillar hybridization flexible membranes on multimodal tactile sensors for wearable energy-storage devices and human–machine interfaces”的论文，研究设计了一种 “多合一 “聚吡咯柱杂化柔性膜，用于可穿戴储能设备和人机界面（HMI）。聚吡咯柱微阵列是加强电子/离子传输和压力传感的 “高架高速公路”。插层石墨烯/纤维素纳米纤维（RGO/CNFs）微结构是一个地面交错的 “道路 “网络，用于机械支撑和电荷吸附。
基于这种精心设计的结构，本文开发出了一种触觉传感器，它对各种人体信号（如手指弯曲/滑动、吞咽、面部表情和颤抖）具有灵敏的电流响应。人机界面的应用场景可扩展到接口实例化，在组装成微型超级电容器后，实现了113 mF cm-2 的面积电容（与整个装置相比）、15.7μW h cm-2 的面积能量密度和 0.25 mW cm-2 的功率密度。同样，覆盖着冰块的 MSC 可以串联起来为 LED 供电，LED 由抗冻凝胶电解质组成。具有分层结构的柔性膜在可穿戴储能设备和人机界面方面展现出了潜力。该方法可用于开发下一代 “软 “电子器件。
图文导读
图1、 (a) RGO/CNFs@PPy 复合膜的制作（示意图）。(b 和 c) RGO 和 RGO/CNFs 复合膜的截面扫描电镜图像。(d）RGO/CNFs@PPy 复合膜表面的扫描电镜图像。(e-g）RGO/CNFs@PPY 复合膜的 EDS 图谱，以及 O、N 和 C 元素的分布。(h）RGO、RGO/CNFs 和 RGO/CNFs@PPy 膜的厚度。(i) 不同电沉积时间下 PPy 柱微阵列的高度。(j) RGO、RGO/CNF-0.75、RGO@PPy-20 和 RGO/CNFs@PPy-20 的电导率和电阻率。
图2、 RGO/CNFs@PPy复合膜的物理性质。
图3、 RGO的传感性能/CNFs@PPy触觉传感器
图5、 RGO、RGO/CNFs-0.5、RGO@PPy-8 和 RGO/CNFs@PPy 复合膜在水性电解液中的电化学性能
图6、 RGO/CNFs@PPy-20 全固态 MSC 的电化学性能
图7.RGO/CNFs@PPy-20全固态MSC在低温下的电化学性能。
小结
本研究提出了一种可弯曲的便携式复合膜，它具有出色的电化学性能和快速的刺激响应。它是通过合理设计和合成覆盖在柔性 RGO/CNFs 基质上的 PPy 柱微阵列而制成的。分层结构在三元复合材料之间建立了牢固的互连，从而实现了机械坚固性、电化学活性和刺激响应性。组装成触觉传感器后，具有高导电性的柔性复合膜可准确感知微小的机械变形，并将其转化为电信号。不同应变的人体运动也能被识别并实时反馈，这证明了其在各种场景下的广泛感知能力。此外，制备的柔性水态和全固态 MSC 显示出很高的等电容。
同时，由于设计了双电子/离子传输通道和凝胶电解质，后者表现出循环稳定性（3000 次循环后为 95.6%）、体积能量密度（31.44 μW hcm-3）和宽温度适应性（室温至-20°C）。更令人印象深刻的是，该器件能在低温（-20 °C）条件下提供212mF cm-2 的等面积电容，并在弯曲条件下具有出色的柔性性能。这些数据表明，这种方法具有出色的低温耐受性，从而提高了其在寒冷环境中的应用潜力。总之，这种一体化策略解决了在多个研究领域利用类似可再生复合材料所面临的长期挑战。该方法可用于设计分层微结构，并能促进可穿戴储能设备以及与储能和人体触觉系统相关的人机界面的开发。
文献：https://doi.org/10.1039/D3QI02119J
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