大連化物所開發(fā)出可打印全柔性一體化氣體傳感集成微系統(tǒng)

　　近日，大連化物所催化基礎(chǔ)國家重點實驗室二維材料化學與能源應(yīng)用研究組(508組)吳忠?guī)浹芯繂T團隊設(shè)計制備出與平面儲能器件特性相匹配的二維超薄、高容量的鐵基沸石咪唑鹽骨架/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)(Fe-ZIF/G)納米片，進一步采用噴涂方法，打印出柔性高比能平面微型超級電容器，并基于此開發(fā)出全柔性、高靈敏、一體化自供電的氣體傳感集成微系統(tǒng)。
 

　　可穿戴、柔性化微電子的發(fā)展刺激了對兼容性高、耐用性強的產(chǎn)能、儲能和用能一體化集成系統(tǒng)的需求。其中，平面微型超級電容器(MSCs)具有高功率密度和快速充放電的特點，能夠隨時隨地收集能量轉(zhuǎn)化單元產(chǎn)生的剩余電力，為電子設(shè)備供電。該研究團隊此前開發(fā)出多種可定制微能源系統(tǒng)，如微型超級電容器-氣體監(jiān)測系統(tǒng)(Adv. Funct. Mater.，2020)，微型超級電容器-壓力傳感集成系統(tǒng)(Adv. Energy Mater.，2021)，鋅離子微型電池-氣體傳感集成系統(tǒng)(Small，2020)，微型超級電容器-溫度傳感集成系統(tǒng)(Energy Environ. Mater.，2020)，一體化自供電壓力傳感集成系統(tǒng)(Adv. Mater.，2020)；自供電溫度傳感集成系統(tǒng)(Adv. Energy Mater.，2020)；全柔性自供電雙通道傳感集成系統(tǒng)(Nano Energy，2020)等。目前，為實現(xiàn)高效一體化自供電氣體傳感微系統(tǒng)，亟需開發(fā)與能量轉(zhuǎn)化、能量存儲及能量使用器件高度兼容性的制備技術(shù)，以及高性能柔性電極材料和氣體傳感材料。
 

　　
       本工作中，該團隊采用靜電組裝策略，制備出具有高比表面積(360m2/g)、超薄結(jié)構(gòu)(3nm)和高導(dǎo)電性的二維Fe-ZIF/G異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米片，作為柔性固態(tài)微型超級電容器高電容微電極材料。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e-ZIF/G異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米片促進了電解質(zhì)離子沿平面的傳輸，提供了豐富的電化學活性位點。團隊利用噴涂打印技術(shù)構(gòu)筑的平面微型電容器，表現(xiàn)出9.5μWh/cm2的高面積能量密度和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。此外，團隊提出了一體化設(shè)計和構(gòu)建策略，通過減少多組份之間的接口，將硅薄膜太陽電池、微型超級電容器和傳感器集成匹配在一個共面柔性襯底上，開發(fā)出一體化、柔性化、自供電的平面氣體傳感集成微系統(tǒng)。該微系統(tǒng)在室溫下對氨氣響應(yīng)顯示出高的選擇性，而且在低氨氣濃度(2ppm)條件下具有高的響應(yīng)性。該工作為構(gòu)建可打印的自供電微系統(tǒng)提供了新途徑。
 

　　相關(guān)研究成果以“2D ultrathin graphene heterostructures for printable high-energy micro-supercapacitors integrated into coplanar flexible all-in-one microelectronics”為題，發(fā)表在《今日材料》(Materials Today)上。該工作的第一作者是我所508組博士畢業(yè)生馬佳鑫。上述工作得到國家自然科學基金、中國科學院潔凈能源創(chuàng)新研究院合作基金等項目的資助。(文/圖 馬佳鑫、鄭雙好)