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近日，暨南大学明升手机与材料学院教授刘明贤课题组在“绿色”碳纳米管墨水用于热电发电机方面取得研究进展。相关研究发表于Advanced Science。暨南大学明升手机与材料学院博士生何韵晴为该论文第一作者，刘明贤教授为唯一通讯作者。

导电墨水在印刷工艺中能快速生产多功能先进设备，例如印刷传感器、发电机、储能设备，尤其是各种柔性可穿戴电子产品。导电墨水的选择是电子产品特性的关键部分。其中，具有优异的电学和力学性能的碳纳米管（CNT）是柔性可穿戴设备的理想材料。然而，CNT在溶剂中的不良分散性极大地限制了CNT在可穿戴传感器制造中的应用。因此，开发新型的“绿色”CNT分散剂对于CNT基墨水在可穿戴电子设备领域的应用具有重要的意义。

该研究将从虾壳中提取的甲壳素纳米晶（ChNCs）作为多壁碳纳米管（MWCNT）的分散剂，通过超声辅助获得均匀稳定的ChNCs/MWCNT（CCNT）墨水。ChNCs与MWCNT之间发生库仑引力、π-π共轭和疏水-疏水相互作用从而使CCNT墨水被放置3个月后不发生沉降。ChNCs的分散效率约为91.1%，高于常见的其他类型的分散剂。

获得的CCNT导电墨水具有良好的导电性和印刷性，采用丝网印刷技术可将CCNT墨水涂布在普通纸上。用铜线将4张5×15 mm的CCNT涂布纸串联组装成一个热电发电机（TEG）。在室温下该TEG的塞贝克系数为42.9 μV K-1，表明具有良好的热电性能，可将其贴在手腕上，收集人体热量从而实现自供电。这意味着该TEG可在活动场合下连续监测人体的运动情况。另一方面，可将TEG安装在口罩中，通过监测志愿者呼吸频率来实现健康监测。

CCNT涂布纸基热电纸不仅具有良好的温度响应性能，而且由于其具有良好的柔性，还具有作为应变传感器的潜力。将涂布纸作为应变传感器，向无涂层一端弯曲时，涂层会受到拉应力，微裂纹扩散和传播，导致导电网络破坏，阻力增大。弯曲应变与相对电阻呈高线性关系（R2 = 0.998）。涂布纸在不同的弯曲速率下展示出良好的稳定性和可恢复性，具有典型的与弯曲速率无关的传感行为。

在循环扭转180°的过程中，也能获得可重复且稳定的响应信号。涂布纸在1000次30%的弯曲循环测试中保持良好的相对电阻稳定性。每个弯曲循环中几乎展示出相同的弯曲传感信号和优异的再现性，表明涂布纸具有良好的机械灵活性和耐久性，这对于实际应用中的可穿戴传感器至关重要。在稳定状态下，由于环境与皮肤之间的温差，热电纸产生了稳定的输出电压。当志愿者的关节做反复弯曲运动时，展示出了规律变化的输出电压和电流。

该研究采用天然来源的ChNCs作为分散剂和粘合剂，通过超声辅助成功地制备了均匀、稳定的MWCNT基墨水。该墨水具有良好的印刷性和对各种基材（纸、玻璃和PET）的适应性。通过简单的丝网印刷技术，将CCNT墨水涂布在纤维素纸的表面，制备了具有良好热电性能的涂布纸。该热电纸具有精确的温度检测和识别能力，可将热电压信号转换为音符，可以直接安装在志愿者的手臂上或口罩中，以监测人体的运动情况或呼吸变化。

此外，由于纸基具有良好的柔韧性，组装的自供电应变传感器可以灵敏地监测人体关节运动。总之，ChNCs分散的MWCNT基导电墨水在自供电多功能可穿戴电子产品中具有广阔的应用前景。

上述研究得到了国家自然明升体育app基金面上项目、广东省自然明升体育app基金项目、广东省科技计划项目、广州市科技计划项目和中央高校基本科研业务费专项的资助。

相关论文信息：http://doi.org/10.1002/advs.202204675