太原理工大学张虎林教授团队 ACS AMI：基于热电凝胶的自供电呼吸监测策略

2022-10-24 来源：高分子科技

作为一种低品位的可持续热源，人体呼吸造成的呼吸余热总是被忽略，尽管它产生的温度大于环境温度。将这些热量转化为电能或作为检测信号在可穿戴医学中极其重要。这种热--电的转换是可以通过热电水凝胶来实现的。然而，凝胶的抗冻和抗干燥性能仍然存在挑战，这严重限制了热电凝胶在实际应用中的耐久性。

图1. PVA/GEL-GL热电凝胶的设计

近期，太原理工大学信息与计算机学院张虎林教授团队制备了以Fe(CN)₆^3?/4?作为氧化还原对的双网络聚乙烯醇/明胶（PVA/GEL）凝胶热电器件（图1）。它具有优异的耐低温性和抗干燥能力。这些特征是由于使用了二元溶剂（水/甘油）来限制水分子之间的氢键。制备的热电凝胶贴片能够利用环境和人体呼吸产生的热量之间的温度差，轻松地将生理数据转换为容易理解的电脉冲信号，首次实现了简单的自供电呼吸监测策略。即使在0℃以下，位于口罩当中的凝胶贴片也可以正常工作，这意味着它可以适应低温环境。这项研究将会为低水平热驱动的可穿戴医疗电子设备的发展提供了新的思路。该工作以“Self-Powered Respiratory Monitoring Strategy Based on Adaptive Dual-Network Thermogalvanic Hydrogels”为题发表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。文章第一作者是太原理工大学硕士研究生李学标，通讯作者为张虎林教授，该研究得到了山西省自然科学基金项目的支持。

图2.PVA/GEL-GL热电水凝胶的机械性能

图3.PVA/GEL-GL水凝胶的热电性能

图4.基于口罩内的双网络热电凝胶呼吸监测的概念证明

该工作是张虎林教授团队近期关于凝胶热电器件的研究与应用的最新进展之一。这项工作推动了热电凝胶用于收获人体余热和可穿戴智能柔性电子设备的发展。在过去的两年中，团队制备了一系列基于不同聚合物网络和热电化学氧化还原对的热电水凝胶器件，并致力于开拓凝胶热电器件的应用场景。如制备的透明可拉伸热电电解质水凝胶可用于实现太阳能收集，通过植入PDMS太阳能吸收器，组装好的太阳能热电凝胶装置在阳光照射可以吸收太阳能转化为电能（Nano Energy 2022,100,107449）。开发了一种以I^-/I₃^-为氧化还原对的凝胶电解质热电装置的温度监测系统，可作为一种舒适的人体监测电子皮肤。它还可以用于建立一个智能窗口系统，用于自动监测室内或室外的温度，即使是在极端天气中（J. Mater. Chem. C, 2022,10,13789-13796）。通过在凝胶中植入微孔的聚偏氟乙烯隔膜，研制了一种以Fe³⁺/Fe²⁺为氧化还原对的具有低热导率的凝胶热电器件，降低的导热系数有效地提高了塞贝克系数。考虑到凝胶优越的温度响应，将凝胶共形固定在前额上，建立了自供电体温监测系统（ACS Appl.Mater.Interfaces 2021 13, 37316）。

原文链接 http://doi.org/10.1021/acsami.2c14239

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（责任编辑：xu）

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