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太原理工大學(xué)張虎林教授團(tuán)隊(duì) ACS AMI：基于熱電凝膠的自供電呼吸監(jiān)測(cè)策略
2022-10-24  來(lái)源：高分子科技

  作為一種低品位的可持續(xù)熱源，人體呼吸造成的呼吸余熱總是被忽略，盡管它產(chǎn)生的溫度大于環(huán)境溫度。將這些熱量轉(zhuǎn)化為電能或作為檢測(cè)信號(hào)在可穿戴醫(yī)學(xué)中極其重要。這種熱--電的轉(zhuǎn)換是可以通過(guò)熱電水凝膠來(lái)實(shí)現(xiàn)的。然而，凝膠的抗凍和抗干燥性能仍然存在挑戰(zhàn)，這嚴(yán)重限制了熱電凝膠在實(shí)際應(yīng)用中的耐久性。

 


圖1. PVA/GEL-GL熱電凝膠的設(shè)計(jì)


  近期，太原理工大學(xué)信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院張虎林教授團(tuán)隊(duì)制備了以Fe(CN)63?/4?作為氧化還原對(duì)的雙網(wǎng)絡(luò)聚乙烯醇/明膠（PVA/GEL）凝膠熱電器件（圖1）。它具有優(yōu)異的耐低溫性和抗干燥能力。這些特征是由于使用了二元溶劑（水/甘油）來(lái)限制水分子之間的氫鍵。制備的熱電凝膠貼片能夠利用環(huán)境和人體呼吸產(chǎn)生的熱量之間的溫度差，輕松地將生理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為容易理解的電脈沖信號(hào)，首次實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的自供電呼吸監(jiān)測(cè)策略。即使在0℃以下，位于口罩當(dāng)中的凝膠貼片也可以正常工作，這意味著它可以適應(yīng)低溫環(huán)境。這項(xiàng)研究將會(huì)為低水平熱驅(qū)動(dòng)的可穿戴醫(yī)療電子設(shè)備的發(fā)展提供了新的思路。該工作以“Self-Powered Respiratory Monitoring Strategy Based on Adaptive Dual-Network Thermogalvanic Hydrogels”為題發(fā)表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。文章第一作者是太原理工大學(xué)碩士研究生李學(xué)標(biāo)，通訊作者為張虎林教授，該研究得到了山西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目的支持。 


圖2.PVA/GEL-GL熱電水凝膠的機(jī)械性能


 圖3.PVA/GEL-GL水凝膠的熱電性能


 圖4.基于口罩內(nèi)的雙網(wǎng)絡(luò)熱電凝膠呼吸監(jiān)測(cè)的概念證明


  該工作是張虎林教授團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于凝膠熱電器件的研究與應(yīng)用的最新進(jìn)展之一。這項(xiàng)工作推動(dòng)了熱電凝膠用于收獲人體余熱和可穿戴智能柔性電子設(shè)備的發(fā)展。在過(guò)去的兩年中，團(tuán)隊(duì)制備了一系列基于不同聚合物網(wǎng)絡(luò)和熱電化學(xué)氧化還原對(duì)的熱電水凝膠器件，并致力于開(kāi)拓凝膠熱電器件的應(yīng)用場(chǎng)景。如制備的透明可拉伸熱電電解質(zhì)水凝膠可用于實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能收集，通過(guò)植入PDMS太陽(yáng)能吸收器，組裝好的太陽(yáng)能熱電凝膠裝置在陽(yáng)光照射可以吸收太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能（Nano Energy 2022,100,107449）。開(kāi)發(fā)了一種以I-/I3-為氧化還原對(duì)的凝膠電解質(zhì)熱電裝置的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可作為一種舒適的人體監(jiān)測(cè)電子皮膚。它還可以用于建立一個(gè)智能窗口系統(tǒng)，用于自動(dòng)監(jiān)測(cè)室內(nèi)或室外的溫度，即使是在極端天氣中（J. Mater. Chem. C, 2022,10,13789-13796）。通過(guò)在凝膠中植入微孔的聚偏氟乙烯隔膜，研制了一種以Fe3+/Fe2+為氧化還原對(duì)的具有低熱導(dǎo)率的凝膠熱電器件，降低的導(dǎo)熱系數(shù)有效地提高了塞貝克系數(shù)？紤]到凝膠優(yōu)越的溫度響應(yīng)，將凝膠共形固定在前額上，建立了自供電體溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（ACS Appl.Mater.Interfaces 2021 13, 37316）。


  原文鏈接 https://doi.org/10.1021/acsami.2c14239

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（責(zé)任編輯：xu）
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