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  廣州大學化學化工學院、廣東省節能環保精細化學品工程技術研究開發中心劉鵬副教授所在團隊以淀粉水凝膠為基材，構建了具有應變響應的柔性電池和自供電柔性傳感材料，相關工作以All-Starch-Based Hydrogel for Flexible Electronics: Strain-Sensitive Batteries and Self-Powered Sensors為題，發表于國際學術期刊《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》。文章第一作者是廣州大學化學化工學院碩士研究生馬聰，通訊作者為廣州大學的劉鵬副教授、汪黎明教授和英國紐卡斯爾大學謝豐蔚副教授。

  近年來，柔性電子設備逐漸受到人們的關注。其柔韌的機械靈活性，不僅在人體傳感、智能設備、健康監測領域有廣泛應用，更可以輔以物聯網、云空間等技術，對數據進行實時采集，進一步優化醫療、健康等領域的數據準確性。相較于合成高分子，糊精、明膠、殼聚糖、淀粉和木質素等天然高分子具有可再生、環境友好、生物安全性高且價格低等優勢，因而制備全生物基柔性電子設備一直是研究的熱點領域。其中淀粉由于其較好的凝膠性能和低廉的市場價格而備受關注。

  課題組基于對高直鏈淀粉解構和重組形成水凝膠過程的研究，設計在淀粉凝膠中構建原電池的電極反應：在解構后的淀粉溶膠中引入具有電勢差的陽離子和金屬顆粒，通過兩個半反應在凝膠中形成完整的原電池反應。其具體的電極反應式如下：

  陽極：M ? 2e^? = M ²⁺（M代表鋅、鐵、錫金屬粉末）

  陰極：Cu²⁺ + 2e^? = Cu

  利用此策略制備的淀粉基柔性電池，可以對外輸出電流，點亮LED燈泡，同時由于電池具有一定的柔性，在外力作用下會發生形變導致電池內阻發生變化，從而使輸出電流發生變化，表現出應變響應性。在10%應變下，輸出電流的變化(ΔI/I₀)約為16%，40%應變對應300%的電流變化；10 kPa壓力對應電流變化為18%，300 kPa壓力對應300%。同時在20%的循環壓縮形變下，持續1000次后依然可以保持輸出電流的應變響應性。

圖1：淀粉基電池實物、放電性、應變響應性及其結構示意圖

  在此基礎上，課題組將電池制成薄片狀，與碳布貼合，制得了一種淀粉基柔性自供電傳感材料。傳感材料可被彎曲、折疊或扭曲，且無需外接電源，即可憑借自身的放電及形變敏感性產生顯著的電流變化信號。其可以測得低至10kPa的應力，同時具有1.53 kPa^?1的高靈敏度。將其用于傳感測試，可以精確測量脈搏的跳動信號，不同音節的喉部發聲振動，亦可識別手指彎曲、腳步運動等常見運動的幅度大小。

圖2：淀粉基自供電傳感器的組裝及其傳感性能測試

  該研究獲得了廣東省自然科學基金、廣州市科技計劃項目（珠江科技新星專項）等項目的資助。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.2c00872

  課題組近年來在淀粉水凝膠、淀粉導電、感應材料方面的系列工作發表于ACS Sustainable Chemistry & Engineering、Carbohydrate Polymers等學術期刊：      https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.0c07473https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.9b07726

https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2018.11.034