卜显和院士Small Structures:手性杂化金属卤化物的压电能量收集以及人体动作传感

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来源:功能材料与器件

      随着物联网、智能穿戴等技术的不断发展,各类分布式传感器、自供电医疗设备、可穿戴设备都得到了快速的发展,这就对能源供给方式提出了更高的需求。在此背景下,研发具有高功率密度、高集成化、低成本、长寿命的能源采集系统,是实现智能装备能源供给的关键,而压电俘能器是一种非常有前景的能源采集技术。传统的压电式俘能器大多采用无机陶瓷,存在烧结温度高、柔性差等缺点,难以应用于可穿戴设备。近年来,以杂化金属硫化物为基础的压电俘能器正蓬勃发展,具有良好的压电特性,可有效弥补传统压电俘能器的不足。南开大学李伟教授与卜显和院士的研究小组在前期工作基础上,通过与聚合物聚二甲基硅氧烷(PDMS)的复合,获得了一种新型的、具有柔性的、可弯曲的、具有良好力学性能的金属卤素化合物。该材料在压电俘能、人体运动传感器等领域具有优异的力电转化及敏感特性。


      前期研究中,我们以 R、S-2-甲基哌嗪为底物,制备出一种新型的手性金属卤素化合物, DFT计算结果表明,该类化合物的弹性模量和内禀压电系数都很小(d14=16.71 pC/N)。同时,所制备的压电俘能器具有更低的介电常数、更高的品质因子,更利于压电俘能。在施加2 N应力的情况下,压电能量采集器的最大开路电压输出达到2.57 V,短路电流达到0.37μ A,功率密度达到0.55μ W/cm2,并且在超过3500圈的循环中,其性能没有显著的衰减,显示出了良好的稳定性。最终,将所研制的传感器用于人体运动感知,实现对轻微运动(轻敲、手指屈曲)和剧烈运动(行走、奔跑)的感知,为其在智能可穿戴等方面的应用奠定基础。本项目的实施将拓展手性杂化金属卤化物材料的应用范围,明确其用于压电式传感器的可行性,并为多功能集成器件的设计与制备提供参考。


原文链接:https://doi.org/10.1002/sstr.202300135

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