AFM：通过有机溶剂驱动结晶实现高性能细菌纤维素有机凝胶基热电化学电池，用于人体热量收集和自供电可穿戴应变传感器

第一作者：李晶

通讯作者：王华平*，陈仕艳*

单位：东华大学

人体是一种低品位的可持续热源，可以有效地驱动热电材料将热能转化为电能，从而为自供电可穿戴电子产品提供了有前途的供给能源解决方案。其中，热电化学电池（TECs）因能够将低品位热量（<100°C）直接转化为电能而受到越来越多的关注。考虑到可穿戴设备的设计便利性和应用舒适性，与液态基TECs相比，凝胶基电解质对推动自供电可穿戴电子产品电源的发展更具吸引力。细菌纤维素（BC）是一种天然水凝胶，具有绿色、低毒的优点，不仅具有优异的柔韧性和生物相容性，而且具有天然水凝胶所缺乏的机械强度。同时BC水凝胶在应力、pH、电活性和热传感等领域具有广泛的应用前景。不仅如此，得益于纳米纤维内部纳米通道的存在，纯天然BC水凝胶纤维与其他水凝胶（如聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、明胶等）相比具有良好的离子导电性。基于此，BC水凝胶已被用作TECs的电解质基质，获得了优异的热电性能，并首次开发了基于BC水凝胶TECs的自供电可穿戴应变传感器。

近日，来自 东华大学的王华平教授和陈仕艳教授 ，在国际知名期刊 Advanced Functional Materials 上发表题为 “High Performance Bacterial Cellulose Organogel-Based Thermoelectrochemical Cells by Organic Solvent-Driven Crystallization for Body Heat Harvest and Self-Powered Wearable Strain Sensors” 的观点文章。该观点文章制备了以K ₄ Fe(CN) ₆ /K ₃ Fe(CN) ₆ 为氧化还原偶的可穿戴式BC有机凝胶基TECs。丙二醇的加入明显改善了热电化学电池的机械性能，并促使K4Fe(CN)6逐渐结晶，形成氧化还原离子的浓度梯度，显著提高了热电转换效率（从1.27 mV K ^-1 提高到2.30 mV K ^-1 ）。鉴于BC有机凝胶基质显示出高压缩性和拉伸性能，TECs进一步被组装成自供电的应变传感器，可以高灵敏度地实时检测人体在各种拉伸和压力下的运动。

热电效率不仅取决于氧化还原反应之间的熵差（ΔS），还取决于冷、热端氧化还原阴离子的浓度比差（ΔCr）。丙二醇（PG）的引入将极大地改变K4Fe(CN)6的ΔCr，含量为20 wt%时，塞贝克系数（Se）高达2.30 mV K ^-1 （图2）。

PG的加入不仅提升了BC有机凝胶基TECs的Se（2.30 mV K ^-1 ），也有效的降低了TEC的热导率（κ：0.083 W m ^-1 K ^-1 ）。我们在19℃的温差下监测热电池的工作稳定性，TECs工作时长高达12小时以上，输出电压仍稳定保持在41.5 mV。在BC有机凝胶基TECs优异的热电性能和工作稳定性的基础上，将具有15个BC有机凝胶热电偶片固定在手臂上以收集身体热量，在7 ~ 8℃的温差下产生的电压约为300 mV（图3）。

BC水凝胶主要有纳米纤维组成的三维网络结构，PG的加入进一步增强了BC凝胶的拉伸和压缩性能。同时，由于BC水凝胶固有的三维网络结构有助于抵抗材料的多维变形。因此，在温差为9℃的条件下，热电池在反复弯曲、拉伸和压缩时均可以保持稳定的输出电压（约20.0 mV）（图4）。

在温差为13℃时，TECs的电流变化随拉伸应变的增大而单调减小，线性拟合后，GF达到1.03。而在压力负荷下，灵敏度在1.0 kPa以下为84.08 kPa ^{- 1} （R2 = 0.7375），在1.0 ~ 9.5 kPa范围内为2.57 kPa ^-1 （R2 = 0.9042）。此外，无论是在连续拉伸-释放循环中，还是在重复的压力加载和卸载时，基于TECs的应变传感器均显示出稳定且可重复的输出信号。针对BC有机凝胶基电解质优异的力学性能和阵列集成，进一步合理设计了TECs自供电检测人体手指运动的传感器。当用手指按压TECs基传感器时，不仅可以获得由热电偶效应引起的温度传感器，还可以观察到由压阻效应引起的应变传感器（图5）。

High Performance Bacterial Cellulose Organogel-Based Thermoelectrochemical Cells by Organic Solvent-Driven Crystallization for Body Heat Harvest and Self-Powered Wearable Strain Sensors. https://doi.org/10.1002/adfm.202306509

陈仕艳 教授 简介：东华大学材料学院研究员。致力于细菌纤维素形成机理、多重结构调控、原位制备及功能材料研究。获得2014纺织工业联合会科技进步一等奖（4/12），2014纺织工业联合会科技进步二等奖一项（1/10）, 2015年上海科学技术发明一等奖（3/12）, 2015年桑麻纺织科技一等奖。2018年上海市教育系统巾帼建功标兵。第十五届上海市妇女代表大会代表。

王华平 教授 简介：东华大学研究员，博士生导师，高性能纤维及制品教育部重点实验室主任、产业用纺织品教育部工程研究中心副主任。长期致力于纤维科学和工程研究，在聚酯纤维材料改性、加工及其资源综合利用基础理论、关键技术和应用研究方面取得了系列创新性成果，发表SCI论文100余篇；授权发明专利108项。获国家科技进步二等奖5项，省部级科技成果奖23项；获中国纺织学术大奖、全国优秀科技工作者、改革开放40年纺织行业突出贡献人物、何梁何利基金科学与技术创新奖、百千万人才工程国家级人选、全国创新争先奖、中国纺织工业联合会特别贡献奖（桑麻学者）等荣誉称号、享受国务院特殊津贴。参与制订“中国化纤工业十二五及十三五规划”、创建中国化纤流行趋势研究与发布平台、建设国家先进功能纤维制造业创新中心、编撰《中国大百科全书》纤维分卷，推动行业绿色制造，智能制造及标准体系建设。

李晶 ，2014年于济南大学获得学士学位，2017年于上海大学获得硕士研究生学位，现为东华大学博士研究生，师从王华平和陈仕艳教授，研究方向是细菌纤维素凝胶基热电化学电池的制备及应用。

东华大学化纤工程研究中心团队，起源于涤纶高速纺丝课题组，至今已有近40年的历史，是纤维成形理论研究与工程技术开发的专业团队。团队秉承科教融合的教育理念，坚持做有价值的研究，致力于纤维材料的创新研究与技术开发，在纤维新材料设计、纺丝成形理论与技术、功能纤维和高性能纤维、纤维绿色制造与智能制造等方面形成了多个有特色的研究方向，并拓展至复合材料、纳米材料、新能源材料等相关领域。

承担国家“六五”、“七五”、“八五”攻关项目，“十一五”、“十二五”科技支撑项目，“十三五”、“ 十四五”国家重点研发项目，国家自然基金项目，省市部重点基础项目，以及企业技术开发项目多项；获得国家科技进步二等奖5项 ，省市部科技奖多项；基础研究成果发表在行业有影响力的杂志上，技术开发成果获得多项国内外授权专利并部分实现转化。

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