大连化物所开发出可打印全柔性一体化气体传感集成微系统

  近日，大连化物所催化基础国家重点实验室二维材料化学与能源应用研究组（508组）吴忠帅研究员团队设计制备出与平面储能器件特性相匹配的二维超薄、高容量的铁基沸石咪唑盐骨架/石墨烯异质结构（Fe-ZIF/G）纳米片，进一步采用喷涂方法，打印出柔性高比能平面微型超级电容器，并基于此开发出全柔性、高灵敏、一体化自供电的气体传感集成微系统。

可穿戴、柔性化微电子的发展刺激了对兼容性高、耐用性强的产能、储能和用能一体化集成系统的需求。其中，平面微型超级电容器（MSCs）具有高功率密度和快速充放电的特点，能够随时随地收集能量转化单元产生的剩余电力，为电子设备供电。该研究团队此前开发出多种可定制微能源系统，如微型超级电容器-气体监测系统（Adv. Funct. Mater.，2020），微型超级电容器-压力传感集成系统（Adv. Energy Mater.，2021），锌离子微型电池-气体传感集成系统（Small，2020），微型超级电容器-温度传感集成系统（Energy Environ. Mater.，2020），一体化自供电压力传感集成系统（Adv. Mater.，2020）；自供电温度传感集成系统（Adv. Energy Mater.，2020）；全柔性自供电双通道传感集成系统（Nano Energy，2020）等。目前，为实现高效一体化自供电气体传感微系统，亟需开发与能量转化、能量存储及能量使用器件高度兼容性的制备技术，以及高性能柔性电极材料和气体传感材料。

本工作中，该团队采用静电组装策略，制备出具有高比表面积（360m²/g）、超薄结构（3nm）和高导电性的二维Fe-ZIF/G异质结构纳米片，作为柔性固态微型超级电容器高电容微电极材料。研究发现，Fe-ZIF/G异质结构纳米片促进了电解质离子沿平面的传输，提供了丰富的电化学活性位点。团队利用喷涂打印技术构筑的平面微型电容器，表现出9.5μWh/cm²的高面积能量密度和优异的循环稳定性。此外，团队提出了一体化设计和构建策略，通过减少多组份之间的接口，将硅薄膜太阳电池、微型超级电容器和传感器集成匹配在一个共面柔性衬底上，开发出一体化、柔性化、自供电的平面气体传感集成微系统。该微系统在室温下对氨气响应显示出高的选择性，而且在低氨气浓度（2ppm）条件下具有高的响应性。该工作为构建可打印的自供电微系统提供了新途径。

相关研究成果以“2D ultrathin graphene heterostructures for printable high-energy micro-supercapacitors integrated into coplanar flexible all-in-one microelectronics”为题，发表在《今日材料》（Materials Today）上。该工作的第一作者是我所508组博士毕业生马佳鑫。上述工作得到国家自然科学基金、中国科学院洁净能源创新研究院合作基金等项目的资助。（文/图 马佳鑫、郑双好）

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2024.02.006