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[材料资讯] 张珽团队AM:基于丝素蛋白调控纳米通道的柔性水伏离子传感

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发表于 2023-12-26 09:04:16 | 显示全部楼层 |阅读模式
从环境监测到人体汗液电解质分析都迫切地需求高灵敏、宽检测范围的高性能离子传感器。传统固体接触离子选择电极(SC-ISE)的电极膜电位与待测离子含量之间的关系符合能斯特公式,往往存在灵敏度较低的限制。寻求新机制来实现高性能离子传感具有重要意义。蒸发驱动的水伏效应是近些年兴起的新领域,它是利用水的蒸发驱动溶液流经过具有交叠双电层的功能化纳米通道,在固-液界面相互作用下产生与溶液离子浓度相关联的电压和电流信号。因此,基于交叠双电层纳米通道的水伏器件理论上可以用于高性能离子传感,然而目前研究主要聚集于提升水伏器件的产电性能,对其离子传感特性的研究很少。
  当前水伏器件的设计主要是通过制备高表面电位的材料,包括碳纳米材料、金属氧化物、MOFs、生物材料等来构筑高离子选择性的纳米通道以提升器件的性能。然而,除了材料表面电位,由纳米通道的离子选择性还受到通道尺寸极大影响,且选择性随着通道尺寸的减小而提高。伴随通道尺寸的减小,纳米通道内溶液的流动阻力却会显著增加,这会造成推动离子在通道顶端积累的动力减小,引起水伏器件性能的降低。在纳米尺度下寻找通道的离子选择性和流动阻力间的最佳平衡是实现高性能水伏器件关键科学问题。

纳米通道

纳米通道
  针对上述关键科学问题,中国科学院苏州纳米所张珽研究员团队报道了一种基于丝素蛋白的纳米通道精准调控策略并将其应用于柔性可穿戴水伏离子传感器。通过对尼龙-66静电纺丝纤维薄膜浸涂丝素蛋白水溶液,利用丝素蛋白水溶液干燥过程中产生的收缩效应以及丝素蛋白涂层引起的纤维直径尺寸增加,实现对尼龙-66纳米纤维形成的通道的可控调节,其精度可以实现约25 nm(图1A、B,图2A-D)。由于丝素蛋白中存在大量的酰胺和羧基官能团,尼龙-66纳米纤维可以与其形成大量氢键,实现异质界面的稳定性提升。同时,强极性的羧基官能团也有效地增加了水伏薄膜的表面电位(从-18 mV增加到-46 mV)(图2E-G,图4)。通过对丝素蛋白的浸涂量调控,获得纳米通道内溶液流速和离子选择性间的最优平衡,实现了最大4.82 V的开路电压(图2H)。该器件对于溶液中离子浓度展现了超高的灵敏度(最大灵敏度~1.37 V dec-1),宽响应范围(10-7~100 M)。基于优秀的离子传感性能,该水伏器件被成功应用于可穿戴汗液传感和环境痕量离子检测(图5),充分证明了水伏新机制应用于高性能离子传感方面的可行性。
  该工作从构效关系的角度通过精准调控纳米通道尺寸和材料表面化学特性,实现了纳米通道离子选择性与流动阻力之间的最优平衡,为高性能水伏离子传感器件的设计提供了创新思路。该工作以Silk fibroin-regulated nanochannels for flexible hydrovoltaic ion sensing为题发表在Advanced Materials上。文章第一作者是中国科学院苏州纳米所硕士研究生葛长磊,李连辉副研究员和张珽研究员为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金,中国博士后基金的支持。
  该工作是团队近期关于高性能柔性水伏自驱动传感相关研究的最新进展之一。近年来,团队始终聚焦于高性能水伏器件设计制备及其在柔性可穿戴传感领域的应用:利用超吸水凝胶构建了便携式蒸发驱动水伏发电机,突破了水伏发电机固定水槽的束缚,使水伏器件作为可穿戴电子设备的柔性电源平台用于驱动柔性电子器件(Nano Energy, 2020, 72, 104663; Nano Lett. 2019, 19, 5544?5552; Nano Energy, 2021, 85, 105970.); 从热能捕获和能量传导的角度构建了具有光热转换和热传导增强的蒸发驱动水伏器件,为打破环境桎梏提升水伏发电机性能以及设计柔性可穿戴自供能传感系统提供了新策略(Adv. Mater., 2023, 35, 2304099;Nat. Commun., 2022, 13:1043; Nano Energy, 2022, 99, 107356.)。
  论文链接 :https://doi.org/10.1002/adma.202310260
        文章来源:苏州纳米所
      张珽,中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员、博士生导师、课题组长。取得美国加州大学河滨分校博士学位;担任了全国专业标准化技术委员会委员、中国电子学会敏感技术分会(第四届)气湿敏传感技术专业委员会委员、中国科技大学纳米学院兼职博士生导师、Nature子刊Microsystems & Nanoengineering的编委会成员等学术任职。获得苏州工业园区第七届领军人才等荣誉称号。多次参加国际国内传感器、纳米技术、柔性电子学术会议做受邀报告,并担任2013年IEEE-NEMS国际会议分会主席 (Session Chair) 和2014年国际柔性与印刷电子会议(ICFPE2014)分会主席。






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