东北电力大学:石墨烯碳纳米管导电油墨，用于自供电医疗监护装置吗
chanong
|成果介绍
柔性可穿戴传感设备由于功能集成、生物相容性好等优点，在电子皮肤和人体健康监测领域引起了广泛的研究关注。然而，现有的传感器无法在较宽的检测范围内实现高灵敏度响应。此外，使用传感器时需要外部电源。为了克服这一重要挑战，在本文中，东北电力大学的刘焕等研究人员提出了“用于自供电柔性医疗监测设备的基于石墨烯/碳纳米管导电墨水的仿生结构”，发表了题为“:010”的论文” 在期刊：010 中。该研究提出的GN-CNT电子墨水是使用石墨烯和碳纳米管作为导电填料以及N,N-二甲基甲酰胺作为溶剂制备的。我们使用热塑性聚酰胺薄膜作为柔性基板，构建了具有仿生熔块结构的自供电柔性可穿戴传感微系统。
仿生益母草结构（BRMS）减少了应力集中分布，并可以获得更宽的拉伸应变范围。所制备的仿生贝母结构的柔性电极可用于收集和记录胸部、指尖和手腕三个不同位置的心电图（ECG）信号。柔性电极可产生更高的心电图信号幅度和信噪比。使用通过印刷GN-CNT导电油墨制备的导电油墨来印刷摩擦层电极。接下来，我们组装一个摩擦纳米发电机来收集低频机械能。采用导电银浆和GN-CNT导电油墨涂覆组装工艺制备超级电容器。在各种角度及其他形变状态下均无明显的电容衰减现象，具有优异的储能性能。在这个传感微系统中，应变传感器和柔性电极可以直接由摩擦纳米发电机和超级电容器组成的电源驱动。可用于长时间、低功耗的检测，如人体运动检测、医用心电图监测等。
图形指南
图1. (a) 导电油墨的制备。 (b) 导电油墨的微观形貌。 (c)仿生传感网络结构的设计。 (d) 丝网印刷柔性传感器/柔性电极。
图2. (a-c) 三种不同传感结构的应力分布云图。 (d) 三种不同结构的最大弯曲应力比较。
图3. (a-d) 不同放大倍数下GN-CNT 薄膜的表面形貌。 (e-f) 不同放大倍数下GN-CNT 薄膜的横截面形貌。
图4.(a) 传感器在较宽检测范围内的相对电阻变化。 (b) 传感器在0.06 至3.33 Hz 频率下的相对电阻变化。 (c) 传感器响应和恢复时间。 (d) 应变幅度从3% 到100% 时传感器的相对电阻变化。 (e,f)传感器的伏安特性曲线。 (g) 传感器的相对电阻变化从0.001 伏到0.5 伏。
图5.(a) SC电化学测试示意图。 (b) 扫描速度为10 至500 mV/s 时SC 的CV 曲线。 (c) SC 在电流密度0.61.0 mA 下的GCD 曲线。 (d,e) SC在不同角度变形下的CV和GCD曲线。 (f) SC 的电容保持率、能量密度和功率密度。 (g,h) 多个SC串联/并联的CV和GCD曲线。
图6.(a)TENG工作原理示意图。 (b) TENG 模拟摩擦电位分布。 (c) TENG 在1-9 Hz 频率下的输出电压、电流和电荷。 (d) TENG 使用0.22 至4.70 F 的市售电容器充电。 (e, f) 10 至1000M 外部电阻负载下的TENG 输出电压、电流变化和功率密度。 (g) TENG 照明LED 箭头指示器。
图7.(a, b) 手指和腕关节以不同频率移动。 (c, d) 膝关节和踝关节以不同的频率移动。 (e) 喉部的发声和生理运动。
图8：(a-c) 胸部不同电极的心电图信号变化。 d-f）不同电极心电图信号特征的放大图。 （g，h）指尖和手腕上的BRMS柔性电极的ECG信号变化。 (i) BRMS柔性电极的耐久性稳定性测试。
概括
总之，我们提出了一种使用石墨烯和碳纳米管作为导电填料、N,N-二甲基甲酰胺作为溶剂制备的GN-CNT导电墨水。我们使用热塑性聚酰胺薄膜作为柔性基板，构建了具有仿生熔块结构的自供电柔性可穿戴传感微系统。该系统采用低成本纳米材料、仿生结构理论设计和丝网印刷技术创建。仿生益母草结构（BRMS）减少了应力集中分布，并可以获得更宽的拉伸应变范围。传感器的灵敏度响应系数为14471.22，检测响应范围为347%。制备的BRMS柔性电极可用于收集和记录三个不同部位的心电图（ECG）信号，包括胸部、指尖和手腕。柔性电极可产生更高的心电图信号幅度和信噪比。摩擦层电极是通过印刷GN-CNT导电油墨制造的。
随后，组装的TENG通过采集人体的低频运动，实现了电压17.76V、电流1.0910-1A、电荷5.16nC的电能输出。它具有出色的能量收集性能。通过导电银浆和GN-CNT导电油墨涂层的组装工艺制备的SC实现了6.03 mF cm的高比电容。同时，在不同角度和其他变形状态下，SC没有出现明显的电容衰减现象。经过5000次充放电循环后，初始电容仍保持在93.45%。具有优良的蓄电性能。最后，构建的传感微系统可以实现长期、低功耗的人体运动检测和医疗心电监测。
文学：
https://doi.org/10.1021/acsanm.3c05095