随着物联网以及人工智能在现实生活中的逐步普及，可穿戴柔性传感器因其简单的制造工艺和成熟的信号处理技术引起了广泛关注。其中，纤维素基水凝胶传感系统由于具有独特的三维结构、可生物降解性以及良好的机械性能等优势，是目前柔性可穿戴器件的研究热点。然而，传统植物纤维材料易缩水和低导电性极大地限制了其在柔性传感器件领域的应用和普及。基于此，通过结构设计改善植物纤维基传感器的导电性和灵敏度，并应用于摩擦电纳米发电机、超级电容器和传感器组成的柔性集成传感微系统具有重要意义。
近日，大连工业大学轻工与化学工程学院生物基纤维材料与化学品团队利用d-π共轭策略提高2D MOF的电导率增强纤维素基水凝胶传感器灵敏度，研究成果以“Tuning the dxy Orbital Energy Level in 2D Cobalt-Organic-Framework via in-Plane Conjugated Phthalocyanine for Self-Powered Sensing”为题发表于《Advanced Functional Materials》。
二维金属有机框架(2D MOF)具有较高的电导率，而原子轨道相关的调控对于促进传感应用中的电子转移动力学至关重要。本研究利用d-π共轭策略进一步提高2D MOF的电导率并成功用于纤维素基水凝胶传感器。实验选择具有大共轭体系的酞菁(Pc)分子来修饰2D MOF，通过密度泛函理论(DFT)模拟，发现2D MOF与Pc之间的强d-π共轭作用可以显著提高2D MOF中过渡金属Co中低能轨道(dxy)能级，这主要是因为Pc到2D MOF单元的离域π电子排斥原来的dxy电子，从而促进了2D MOF@Pc中的电子转移。结果表明，2D MOF@Pc纤维素基导电水凝胶由于增强的电子转移动力学而实现了78 S m−1的最高电导率。本文研究工作为解决2D MOF纳米片在植物纤维基传感领域中固有的低电导率问题提出了一种渐进的有效调控策略。
图1. DFT模拟2D MOF与Pc之间的强d-π共轭作用以及dxy的轨道能级提升示意图
图2. 2D MOF@Pc导电纤维素基水凝胶的应变传感性能
图3. 2D MOF@Pc导电纤维素基水凝胶在水下运动监测中的应用研究结论：本文用Pc修饰2D MOF以调节低能轨道dxy的轨道能级，2D MOF@Pc获得了更高的电导率。2D MOF@Pc制备的纤维素基水凝胶作为摩擦电纳米发电机、超级电容器和传感器模块的关键部件，组装的自供电传感微系统的整体性能得到了加强，灵敏度提高了75%。这项工作不仅为提高2D MOF的电导率及纤维素基凝胶传感器灵敏度提供了理论支撑，这种有效的策略还可以扩展到其他先进电极材料的设计。研究得到国家自然科学基金项目和辽宁省高校基础研究基金资助。大连工业大学2021级生物质能源与材料专业博士研究生岳嘉继为论文第一作者，大连工业大学王海松教授、杜健副教授和加拿大卡尔加里大学胡劲光副教授为论文通讯作者。
文章链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202418474
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