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✅ 一、传感器结构详解(中文)
本研究提出了一种可生物降解、湿度感知、自驱动的离子传感器,其核心材料为丝素蛋白(Silk Fibroin, SF)/氧化石墨烯(Graphene Oxide, GO)复合膜,具备摩擦电(TENG)和湿度感知双重功能。
📐 传感器结构组成:
层级结构 | 材料 | 功能说明 |
摩擦电上电极层 | 聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜 | 与SF/GO层摩擦,产生摩擦电信号 |
活性感知层 | SF/GO复合膜(含NaCl) | 核心感知功能区,提供水敏响应和离子传导 |
电极层 | 镍/铝箔电极(Ni foil / Al foil) | 收集电信号,用于TENG能量收集与湿度感知输出 |
衬底/支撑层 | 柔性PET或无纺布 | 提供力学支撑,提升柔性与稳定性 |
✨ 结构亮点:
- SF/GO复合膜 兼具蛋白质的柔性和GO的导电性、稳定性;
- 加入NaCl颗粒调控复合膜内部导电网络与离子迁移率;
- 在潮湿环境中可吸收水分子,改变电学性能;
- 可作为摩擦电自驱动器件 + 湿度传感器 + 生物兼容可降解器件。
✅ 二、传感器制备步骤(详细流程)
🧪 材料准备:
- 丝素蛋白提取(Silk Fibroin)
- 原料:柞蚕茧(Tussah silk);
- 步骤:
- 蚕茧切碎 → 在Na₂CO₃水溶液中煮沸30 min去胶(脱胶处理);
- 用去离子水充分清洗 → 冻干得到丝素纤维;
- 将其溶解于CaCl₂/乙醇/水体系 → 搅拌形成透明溶液;
- 透析袋透析去盐48小时 → 得到纯净SF溶液。
- GO溶液准备
- 购买或通过改良Hummers法自制GO分散液;
- 浓度约为0.5 mg/mL,超声分散均匀备用。
🧪 SF/GO复合膜制备:
- 溶液混合:
- 将SF溶液与GO分散液按比例混合(典型比例如SF:GO = 10:1);
- 加入NaCl晶体(控制含量)以调控膜孔隙和导电性;
- 超声处理使其分散均匀,静置去气泡。
- 膜层铸造:
- 将混合溶液倒入平板模具;
- 置于干燥箱中在室温或40°C干燥24小时形成复合膜;
- 得到薄膜状SF/GO膜,含微孔与分布式NaCl晶体。
- NaCl洗脱(形成孔洞):
- 用去离子水冲洗膜片,溶解NaCl形成微孔结构;
- 干燥后用于后续封装。
🧪 传感器封装与组装:
- 电极连接:
- 将SF/GO膜与Ni箔或Al箔电极接触粘贴;
- 用PDMS或热压膜封装。
- 上下摩擦层拼装:
- PDMS薄膜作为上层摩擦材料;
- 与SF/GO复合膜形成摩擦电纳米发电机(TENG)结构。
- 整体贴合:
- 将上摩擦层、活性膜层、电极层压合固定;
- 引线连接用于输出信号采集。
✅ 三、所需仪器与材料清单
类别 | 名称 | 用途说明 |
材料 | 柞蚕茧(Tussah silk) | 提取丝素蛋白 |
材料 | GO氧化石墨烯 | 提供导电性与功能性结构 |
材料 | NaCl晶体 | 引入孔隙结构,控制导电通道 |
材料 | PDMS | 作为摩擦层材料 |
电极 | Ni箔或Al箔 | 作为导电电极 |
仪器 | 恒温水浴锅 | 蚕丝脱胶与溶解处理 |
仪器 | 透析袋(分子量10 kDa) | 去除盐分,提纯SF |
仪器 | 干燥箱 | 制备与干燥薄膜 |
仪器 | 超声清洗仪 | 分散GO,提高混合均匀性 |
仪器 | SEM扫描电镜 | 观察膜结构与孔洞形貌 |
仪器 | 接触角测试仪 | 测量膜表面的亲/疏水性 |
仪器 | 静电计(Keithley 6514) | 测量摩擦电输出 |
仪器 | 环境测试箱 | 控湿条件下测湿度响应 |
✅ 四、传感器功能与性能指标
项目 | 性能说明 |
摩擦电输出 | 可驱动LED,具有自供能能力 |
湿度响应范围 | 20% ~ 90% RH,响应灵敏,迟滞小 |
稳定性 | 连续使用1000次后输出保持稳定 |
柔性/可降解性 | 薄膜柔软、结构稳定,长时间降解后无毒 |
生物兼容性 | 具备天然蛋白成分,适用于可穿戴场景 |
Song T, Kong Q, Li S, et al. Wearable flexible tactile triboelectric sensor Constructed with 3D printing for material perception[J]. Chemical Engineering Journal, 2025: 163924.
- Author:lzh-zone
- URL:http://preview.tangly1024.com/article/2377f1a2-8025-80dc-8541-c2c2bc23cec2
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