超柔性碳基网络纳米复合材料的合成及其电化学传感性能与可穿戴器件研究

Aimed at the bottleneck of the current flexible material field, this project summarized the success and failure of electrostatic spinning technique for preparing flexible material in the past, and our group’s successful experience for preparing super flexible material recently. Based on the summary, this project will carry out research in the synthesis and electrochemical properties of super flexible carbon-based network nano-composites, and their applications for wearable sensors. Newly-developed electrostatic spinning technique will be used, and optimum combination condition for the in-situ carbonization of super flexible materials will be fitted in this project by precise design, parameter optimization and exploring the combination relation between different parameters. The influencing factors in temperature-gradient carbonization process will be studied to firstly prepare the super flexible carbon network nanofibers. In terms of the electrochemical sensing targets, such as ascorbic acid, dopamine, glucose and uric acid in human body fluids, surface modification and heteroatom doping will be carried out on the basis of super flexible carbon nanofiber material to firstly synthesize a series of super flexible carbon-based nano-composite electrodes. The morphologies, structures, pore characteristics, surface properties, flexibility, elemental composition and distribution, and other important information of the materials will be studied by modern instruments to optimize their electrochemical properties, and the possibility of assembling wearable devices by implanting the super flexible electrodes into diapers will also be explored. This study not only makes breakthrough in material synthesis, but also makes innovation on sensor devices, and it also explores a new way for wearable devices.

本项目针对柔性材料领域当前的瓶颈问题，总结静电纺丝过去在柔性材料方面的成败和本组最近在超柔性材料方面探索出的成功经验，开展超柔性碳基网络纳米复合材料的合成与电化学传感性能和可穿戴器件研究。拟采用新研发的静电纺丝技术，通过精密设计和多参数优化，探索各参数间的组合关系，拟合有利于原位碳化出超柔性材料的最佳组合条件。研究梯度升温碳化因子，首次制备出系列超柔性碳网络纳米纤维。在超柔性碳材料的基础上，针对人体液中主要成分抗坏血酸、多巴胺、葡萄糖、尿酸等电化学传感目标，对超柔性碳网络纳米纤维进行表面修饰和原子掺杂，首次制备出系列碳基超柔性纳米复合电极。用现代仪器手段研究该材料的形貌、结构、孔特征、表面状况、柔韧性、元素组成与分布等重要信息，并优化其电化学性能，探索在尿不湿中植入超柔性电极组装可穿戴设备的可能性。该研究不仅具有材料合成上的突破，而且还具有传感器件上的创新，也为可穿戴设备探索了新路。

超柔性碳纤维具有很多的石墨卷曲层数，外表面具有很多可以被功能化的边缘，作为可穿戴电化学传感器材料可以显著地提高生物分子的电化学响应信号以及电子转移速率因此作为一种新型的纳米材料，受到越来越多的关注。4年来本项目按原计划首先通过精确地控制纺丝过程中的各类参数以及不同碳源和混合碳源，研究了不同的溶剂系统、纺丝方式、交织形式等纺丝结果，优化出理想的前驱体高分子纤维。对其进行结构、形貌、尺寸和表面状况的表征，对其性能进行研究。其次通过原位碳化和不同的热处理方式，提高碳纤维内部分子取向一致性，制备了碳纤维复合材料负载四氧化三钴、负载金属镍以及表面包覆镍-钴双金属氢氧化物等柔性复合碳材料，考察了形成的碳纳米网络结构异同点及其电化学性能并进行了功能化设计。我们以柔性纳米碳纤维作为基底，通过电化学技术将磺基水杨酸聚合与其形成纳米复合材料。构建了检测茶碱的电化学传感器件；利用PAN作为前驱体，制备了混纺的二氧化锡的柔性碳纳米纤维（SnO2-CNF），构建了同时检测对乙酰氨基苯酚和对羟基苯乙酮的电化学器件；利用水热法对柔性纳米碳纤维进行功能化构建，获得表面负载二硫化钼和银纳米粒子的碳纤维，组装出高灵敏检测VB2的电化学器件；直接用柔性碳纤维构建了能同时检测尿酸和水杨酸的多功能电化学器件。并与物理系教师合作将部分传感器置于尿不湿中检测相关的尿酸等成分，通过信号放大和转换，初步构建出了可穿戴的器件原型，为可穿戴设备探索了新路。. 本项目已探索出一套超柔性碳基网络结构的制备方法；获得7种以上金属化合物或非金属复合的超柔性碳基网络结构材料；已获得授权发明专利 3 项；发表 SCI 收录的基金标注论文32篇，其中3.0以上24篇，一区论文11 篇。培养博士、硕士研究生20名，已毕业18人，其中6人获国家奖学金，2019年邀请了荷兰莱顿大学专家Gregory来我校开展了一次多层次学术交流，2018年参加IMCS 2018 – International Meeting on Chemical Sensors国际学术交流1次，参加国内学术交流4人次。2018年获上海大学科研贡献奖论文类二等奖。2020年本人代表分析化学团队，申请并获得上海市巾帼文明岗的优秀称号。