大連化物所開發出可打印全柔性一體化氣體傳感集成微系統

  近日，大連化物所催化基礎國家重點實驗室二維材料化學與能源應用研究組（508組）吳忠帥研究員團隊設計制備出與平面儲能器件特性相匹配的二維超薄、高容量的鐵基沸石咪唑鹽骨架/石墨烯異質結構（Fe-ZIF/G）納米片，進一步采用噴涂方法，打印出柔性高比能平面微型超級電容器，并基于此開發出全柔性、高靈敏、一體化自供電的氣體傳感集成微系統。

可穿戴、柔性化微電子的發展刺激了對兼容性高、耐用性強的產能、儲能和用能一體化集成系統的需求。其中，平面微型超級電容器（MSCs）具有高功率密度和快速充放電的特點，能夠隨時隨地收集能量轉化單元產生的剩余電力，為電子設備供電。該研究團隊此前開發出多種可定制微能源系統，如微型超級電容器-氣體監測系統（Adv. Funct. Mater.，2020），微型超級電容器-壓力傳感集成系統（Adv. Energy Mater.，2021），鋅離子微型電池-氣體傳感集成系統（Small，2020），微型超級電容器-溫度傳感集成系統（Energy Environ. Mater.，2020），一體化自供電壓力傳感集成系統（Adv. Mater.，2020）；自供電溫度傳感集成系統（Adv. Energy Mater.，2020）；全柔性自供電雙通道傳感集成系統（Nano Energy，2020）等。目前，為實現高效一體化自供電氣體傳感微系統，亟需開發與能量轉化、能量存儲及能量使用器件高度兼容性的制備技術，以及高性能柔性電極材料和氣體傳感材料。

本工作中，該團隊采用靜電組裝策略，制備出具有高比表面積（360m²/g）、超薄結構（3nm）和高導電性的二維Fe-ZIF/G異質結構納米片，作為柔性固態微型超級電容器高電容微電極材料。研究發現，Fe-ZIF/G異質結構納米片促進了電解質離子沿平面的傳輸，提供了豐富的電化學活性位點。團隊利用噴涂打印技術構筑的平面微型電容器，表現出9.5μWh/cm²的高面積能量密度和優異的循環穩定性。此外，團隊提出了一體化設計和構建策略，通過減少多組份之間的接口，將硅薄膜太陽電池、微型超級電容器和傳感器集成匹配在一個共面柔性襯底上，開發出一體化、柔性化、自供電的平面氣體傳感集成微系統。該微系統在室溫下對氨氣響應顯示出高的選擇性，而且在低氨氣濃度（2ppm）條件下具有高的響應性。該工作為構建可打印的自供電微系統提供了新途徑。

相關研究成果以“2D ultrathin graphene heterostructures for printable high-energy micro-supercapacitors integrated into coplanar flexible all-in-one microelectronics”為題，發表在《今日材料》（Materials Today）上。該工作的第一作者是我所508組博士畢業生馬佳鑫。上述工作得到國家自然科學基金、中國科學院潔凈能源創新研究院合作基金等項目的資助。（文/圖 馬佳鑫、鄭雙好）

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2024.02.006