1成果简介 

　　随着健康领域的快速发展，利用电子皮肤实时监测人体指标对于了解运动模式变得越来越重要。然而，目前大多数柔性应变传感器都需要外接刚性能源装置，这限制了其实际应用，因为要将柔性电极材料同时用于传感和储能是一项挑战。本文，青岛大学李欣琳 特聘教授、Se Hyun Kim、Chenhao Cong等研究人员在《ACS Applied Nano Materials》期刊发表名为“Carbon Quantum Dot/Multiwalled Carbon Nanotube-Based Self-Powered Strain Sensors for Remote Human Motion Detection”的论文，研究提出了一种利用柠檬汁水热合成 0D 碳量子点（CQDs）的绿色制备方法，然后将其与 1D 多壁碳纳米管（MWCNTs）复合，形成复合低维碳材料墨水。
　　作者通过点胶打印技术实现了 CQDs/MWCNT 墨水的高精度图案化，制造出了 3 × 3 毫米的相互咬合电极（N = 10）。利用 0D 和 1D 材料之间的协同作用，CQDs/MWCNT 电极在人体关节弯曲范围内表现出高响应灵敏度（GF = 94.1）和低滞后响应（DH = 4.08%）。合成的 CQD 具有大量含氧官能团，无需对碳纳米管进行复杂的官能化处理。制成的柔性微型超级电容器（FMSC）在 5 μA/cm2 的电流密度下显示出 3.89 mF/cm2 的比电容。此外，我们还利用打印工艺带来的灵活设计，成功实现了人体关节处的自供电应变响应检测。通过整合物联网技术，通过5G传输模块实现了实时数据监测。这项研究为开发用于人体健康监测的远程无线跟踪技术提供了宝贵的参考。
　　2图文导读

  　　图1.（a） CQDs/MWCNT 复合油墨的制备。（b） FMSCs 和柔性应变传感器的制造。

　　图2.（a） CQD/MWCNT 油墨印刷和内部组件的示意图。（b） 高精度复杂印刷图案和印刷MSC。（c） 打印参数与打印电极尺寸之间的关系。（d） 调整打印参数后不同宽度电极的 OM 图像。（e） 静置3周前后墨水的 UV-Vis 测试。（f） CQD/MWCNT 油墨的粘度与剪切速率的关系。（g） 储能模量和损耗模量随振荡应变的变化。通过在一条线上取 （h） 100 个点，在 100 条线上每行取 （i） 1 个点来计数直径。

　　图3.（a） CQD 的 TEM 图像 （b） CQD 的 HR-TEM 图像 （c） CQD 的粒度分布 （d） 紫外线照射的 CQD 溶液的物理图像。（e，f）CQD/MWCNT 的 SEM 图像。（g） 不同浓度的 CQDs/MWCNT 墨水的拉曼光谱。（h） 不同浓度的 CQDs/MWCNT 墨水的 FT-IR 光谱。（i） MWCNT 和 CQDs/MWCNT 复合电极的水接触角测量。

　　图4.（a） 不同 CQDs 比率的应变传感器的抗弯曲性变化。（b） MWCNT 电极和 CQD/MWCNT = 1：9 电极的应变滞后响应。（c） CQD/MWCNT 1：9 应变传感器的弯曲阶跃应变响应试验。（d-h）不同身体运动的弯曲阻力变化 [（d） 手指弯曲，（e） 肘部弯曲，（f） 手腕弯曲，（h） 膝盖弯曲和 （g） 下蹲]。（i） 5000 次 60° 弯曲循环应变响应试验。

　　图5. (a) 通过涂敷 CQDs/MWCNT 油墨制备 FMSC 的示意图。(b) 印刷的 FMSC 电极的 OM 图像。(c) 不同 CQDs 比例的 FMSC 的 GCD 测试。(d) 不同扫描速率（10-500 mv s-1）下的 FMSC CV 测试。(e) 不同电流密度（5-30 μA cm-2）下的 FMSC GCD 测试。(f) 不同弯曲角度下的 GCD 测试。(g) 根据 CV 和 GCD 曲线计算得出的比电容。(h) 电容保持测试和 (i) 5000 次充放电循环后的 EIS 测试。(j) 与先前研究比较的拉贡图表。

　　图6. 三个串并联的 FMSC，分别进行了 (a) CV 和 (b) GCD 测试。(c) 三个串联的 FMSC 点亮红色 LED 的物理图像。(d) 通过 5G 信号实时监测人体运动的自供电应变传感系统示意图。(e) 自供电应变传感器的连接示意图。(f) 自供电应变系统用于检测手腕弯曲引起的应变反应。(g) 综合传感系统框图和工作原理。(h) 通过物联网远程检测手机上的手腕运动。
　　3小结 
　　在本研究中，我们通过水热合成法从柠檬汁中合成了 CQDs（平均尺寸为 2.1 nm），并采用界面调节策略将其与 MWCNTs 复合，从而获得了适合点胶印刷的CQDs/MWCNT导电油墨。利用这些油墨设计了一种可穿戴、自供电的应变传感系统，用于实时监测人体运动。CQDs/MWCNT油墨在150-550 μm 宽度范围内实现了精确打印（误差小于 5%），CQDs 中的亲水官能团为其提供了便利，确保了油墨的均匀分散。带有 CQDs/MWCNT 电极的柔性应变传感器表现出高灵敏度（GF = 94.1）和低滞后（DH = 4.08%），这归功于 CQDs填补了MWCNT中的空隙，形成了一个紧凑的导电网络。由于 CQDs 在 MWCNTs上增强了表面积和活性位点，3×3mm的FMSC在5μA/cm2的条件下达到了 3.89 mF/cm2 的比电容。此外，我们还将FMSCs与应变传感器集成到自供电系统中，通过 5G 在移动设备上显示实时数据。这项研究强调了 0D/1D 材料协同作用在开发先进可穿戴电子设备方面的潜力。
　　文献：