稀溶液原位聚合沉积:构筑面向可穿戴设备的高性能柔性、透明薄膜传感器

近年来随着大气环境污染的日趋严重和便携、可穿戴设备的飞速发展,迫切需要开发一种基于柔性、透明导电膜的便携电子学传感器件,作为可被植入日常生活电子学器件、健康监测设备、环境污染监控、智能窗户、腕表等柔性、透明电子学器件中,以便提供一种低能耗、便携、室温监测的智能化学气体在线传感器件。

传统的环境有害气体监测器件,主要是基于沉积有金属氧化物的叉指电极和陶瓷管电极,缺乏相应的高透光率、便携性和足够的柔性,常需高温操作,且选择性较差,不能满足目前基于柔性、透明便携电子学的传感器件的要求。碳纳米管薄膜可用于室温环境有害气体监测,但灵敏度低,且不透明。导电高分子薄膜传感器,虽然具有透光性,但透光率、长期传感稳定性、灵敏度等有待提高。因此,通过构筑碳纳米管/导电高分子纳米复合材料薄膜,结合两者优势,实现电荷有效传输,提高了化学/热稳定性,有望实现高透光率、柔性和稳定性良好的可集成于便携设备的室温传感器件。

最近,北京化工大学纳米化学研究团队的孙晓明教授、万鹏博副教授与新加坡南洋理工大学的陈晓东教授合作,带领团队成员在苯胺单体稀溶液中,以酸化的碳纳米管为模板,通过加入氧化剂实现吸附在酸化碳纳米管表面的苯胺的原位聚合反应,利用聚合前后复合材料的溶解性下降,实现了聚苯胺/碳纳米管纳米复合材料的原位聚合沉积,在透明薄膜上构筑了颗粒状聚苯胺包覆碳纳米管的纳米复合材料纤维的网络结构,并成功获得了具有大比表面积的纳米复合材料多级纳米结构的透明导电薄膜。其后,基于这种纳米复合材料的网络状柔性透明导电薄膜,研究者成功组装了气敏传感器件,并实现了柔性(反复折叠500次,传感性能都没有显著下降)、高透明度(在550 nm的透光率为~85.0%)和高气体传感性与选择性的完美结合。相关成果发表在Small上。

相比于传统的环境有害气体监测器件,本工作实现了传感器件的透明、柔性,潜在的便携和可穿戴化,有望扩展到其他导电高分子及其相关纳米复合材料体系中。此举还可被植入手持、可穿戴的柔性、透明便携电子器件中,对大气环境污染的实时监控方面也具有重要的科研指导意义及实际应用价值。

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