《上海硅酸盐所在柔性应变敏感材料研究中取得进展》

  • 来源专题:中科院亮点监测
  • 编译者: yanyf@mail.las.ac.cn
  • 发布时间:2019-04-06
  • 随着柔性电子学的发展,轻、薄、柔的便携式、可折叠、可穿戴的柔弹性器件逐渐成为一大研究热点。其中,柔性传感器是应用最为广泛的柔性电子器件,在运动感应、健康监测、医疗诊断等方面均有广泛的应用前景。应变传感器的基本原理是将器件的应变变化转化为电信号进行输出,从而用于监测引起应变的应力信号,其最主要的性能参数包括灵敏度(通常用Gage factor(GF)、相对电阻变化与应变变化的比值来表征)、应变感应范围、检测下限、循环稳定性等。其中,灵敏度和应变感应范围是最重要的两个性能参数,如何兼具高灵敏度和大的应变响应范围是柔性传感器发展中面临的重要挑战。然而获得高灵敏度需要器件在小的应变下发生显著的结构变化,而大的工作范围则要求器件在大应变下仍能保持导电结构的连通性,通常这二者互为矛盾,难以兼得。目前,制作出同时具有较大应变感应范围(大于50%)和高灵敏度(全应变范围内灵敏度大于100)的柔性电子传感器存在一定困难。

      最近,中国科学院上海硅酸盐研究所研究员孙静带领的科研团队以MXene材料——Ti3C2Tx为研究对象,通过对Ti3C2Tx进行材料微结构设计,成功研制了基于Ti3C2Tx纳米颗粒-纳米片混合网络结构的高性能柔性应变传感器。利用纳米颗粒-纳米片的协同运动,该柔性应变传感器同时实现了高灵敏度及宽响应范围,在整个应变感应范围内(53%)的灵敏度高于100(GF>178.4),并具有极低的检测限(0.025%)和高循环稳定性等优势,能够精准检测呼吸、脉搏等生理信号。该研究首次提出了限制式裂纹增值感应新机制,为高性能柔性应变传感器的设计提供了新思路。相关研究成果发表于《先进功能材料》(Advanced Functional Material 2019, 1807882),上海硅酸盐所在读博士生杨以娜为文章第一作者,副研究员王冉冉和研究员孙静为文章共同通讯作者。

      相关研究工作得到国家自然科学基金面上项目、上海市基础重点项目、上海市青年科技启明星项目等的资助。

相关报告
  • 《上海硅酸盐所在甲烷光催化转化研究方面取得新进展》

    • 来源专题:中科院亮点监测
    • 编译者:yanyf@mail.las.ac.cn
    • 发布时间:2019-03-29
    • 作为天然气、页岩气等主要成分的甲烷具有储量相对丰富和价格低廉的优势,在替代石油生产液体燃料和基础化学品领域是学术界和产业界研究和发展的核心之一。甲烷的含氧衍生物,尤其是醇类衍生物,被认为是碳一化学的支柱;而甲烷是最稳定的有机小分子,C-H键活化后却得到高活性的中间物种,容易发生过度活化并彻底矿化。正因为有着广阔的前景和巨大的挑战,甲烷的选择性活化和定向转化是世界性难题,被誉为是催化乃至化学领域的“圣杯”。迄今为止,甲烷的转化通常采用间接法:在高温下通过水蒸气重整将甲烷转化为合成气,再通过费托合成获得多碳的基础化学品;或由合成气制备甲醇,再生产其它化学品。该转化路线冗长,能耗高,过程中排放大量温室气体二氧化碳,不仅带来环境负荷,也使总碳的利用率不到一半。因此,科学家一直在努力探索甲烷直接转化利用的方法。   光催化直接转化可以打破传统热力学平衡的束缚,使甲烷的转化可以在低温常压下进行。近日,中国科学院上海硅酸盐研究所王文中研究员带领的科研团队在甲烷的光催化转化研究方面取得新进展。该团队设计并制备出铜修饰氮化碳材料,实现甲烷向乙醇的光催化直接转化,并对该过程的机制进行了较为深入的研究。相关研究结果以“Direct functionalization of methane into ethanol over copper modified polymeric carbon nitride via photocatalysis”为题,发表于Nature Communications(DOI: 10.1038/s41467-019-08454-0),并申请中国发明专利一项(201811339733.2),第一作者为上海硅酸盐所博士生周沅逸。   针对甲烷容易发生过度活化并彻底矿化的问题,从活性氧物种的生成以及甲烷的吸附活化两个角度出发,研究团队通过在氮化碳材料的有序空腔中进行铜修饰,不仅实现了羟基自由基的原位生成,还促进了材料对甲烷C-H键的活化以及对高活性中间物种的稳定。该材料表现出卓越的光催化甲烷转化性能,乙醇的产率达到106 μmol g-1 h-1,为目前相关领域报道的最优值。深入研究表明,除了自由基机制以外,该材料中的铜物种与邻近碳原子存在协同效应,使得转化过程沿着甲烷-甲醇-乙醇的路径进行。该工作提出了温和条件下甲烷向液体燃料直接转化的新策略,有助于加深对多碳产物的形成机制的认识。   相关研究工作得到了国家自然科学基金的资助和支持。
  • 《上海硅酸盐所在钠离子电池材料设计方面取得进展》

    • 来源专题:中科院亮点监测
    • 编译者:yanyf@mail.las.ac.cn
    • 发布时间:2018-10-17
    •         近日,中国科学院上海硅酸盐研究所研究员刘建军团队与华中科技大学教授黄云辉团队通过合作研究,设计有机共轭分子的三维折扇排列与过渡金属离子配位构建纳米金属有机框架(MOF)材料苝四甲酸锌(Zn-PTCA),首次突破共轭碳环储钠的电化学活化,极大地提高了电极材料的储钠容量,为进一步设计新型高比容量电极材料提供新思路。相关研究成果在Chem 杂志发表。   具有三维孔道结构的MOF纳米材料主要通过过渡金属离子(或者纳米团簇)与有机配体自组装而成,因具有孔道结构易调控、比表面积高和表面官能团丰富等特点在气体吸附与分离、纳米催化等方面有广泛应用。然而由于比容量有限,在电化学储能材料应用方面受到极大限制。以钠离子电池材料为例,钠离子电池中金属有机电极材料的储钠位点主要集中在表面丰富的官能团(C=O、C≡N),可通过官能团和结构骨架共轭环内的单双键重排机制实现电子稳定存储。但由于半径较大的钠离子很难嵌入MOF材料有机共轭骨架的层间,以及钠离子嵌入层间对层间范德华力的破坏且与共轭碳环间较弱的作用力等原因导致钠离子很难储存在有机结构骨架共轭碳环(sp2-C)中,进而导致MOF材料的可逆比容量较低。因此,活化共轭碳环储钠的电化学活性,对提高电极材料存储容量至关重要,但具有较大挑战性。   刘建军团队结合第一性原理的计算电化学、分子动力学模拟、电子结构分析,研究发现三维折扇状的金属有机材料具有共轭碳环sp2-C储存钠离子的特征,实现共轭碳环储钠的理论设计与实验验证。发现以稳定的六配位过渡金属替代钠离子,可将层状的苝四甲酸钠转变为三维折扇状的苝四甲酸锌,过渡金属配位化学键代替有机层间的范德华力,形成的开放式空间结构既消除了储钠破坏范德华力的影响,又提高了Na+的迁移动力学速率。计算电化学结果与实验电化学表征相吻合,均证实了Zn-PTCA中Na+与官能团-COO-、Na+与共轭碳环sp2-C的两步嵌钠反应,达到了357 mAh g-1的相当高的比容量。充放电过程的原位XRD、NMR、红外光谱表征均显示材料在低放电压下且多次循环后,结构框架仍具有良好的稳定性。   该研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目、上海市材料基因组项目等的支持。