检索结果-南通市图书馆

作者：张银川山东大学

学位级别：硕士

人工智能和信息技术的飞速发展使得人机交互成为炙手可热的话题,其中,作为人机交互范畴的重要分支,手势识别不仅可以实现对机器的隔空操作,而且在聋哑人手语识别应用领域的前景十分广阔。传感器作为手势识别的核心,同时得到了广泛的关... 详细信息

人工智能和信息技术的飞速发展使得人机交互成为炙手可热的话题,其中,作为人机交互范畴的重要分支,手势识别不仅可以实现对机器的隔空操作,而且在聋哑人手语识别应用领域的前景十分广阔。传感器作为手势识别的核心,同时得到了广泛的关注。柔性传感器由于其优异的柔韧性,可灵活使用各种环境等优点,在人机交互、手势识别等应用领域中占有一席之地。随着柔性传感器不断在传感方式以及传感材料方面取得重大研究突破,越来越多的性能优越的传感器被设计制备出来,能够对各类运动信号和人体生命体征信号进行监测,然而由于柔性可穿戴器件在材质上的特殊性和应用场景上的复杂性,其在传感的稳定性、与基底材料的兼容性、成本控制以及生产工艺等层面将提出更高更多的需求。基于以上问题,本文主要开展了以下研究内容:1.设计制作了一种基于激光诱导石墨烯和柔性材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)的柔性传感器,可以应用到人体生物信号的监测。该传感器具有良好的电学性能,延展性优越,在高达1 00%应变范围内,电阻变化率高达150,电压变化可达2V,具有良好的灵敏度,且性能稳定。同时,该传感器可以监测人体关节的运动,比如手腕,手肘以及嘴巴等的运动状态。2.基于柔性传感器设计一种可穿戴柔性传感器手套,该手套集成了信号采集电路、低通滤波电路、stm32f103开发板以及无线蓝牙信号模块,可以实时捕捉手势的运动,并实现远程的无线传输。3.基于可穿戴柔性传感手套和信号采集系统,开发一套手势识别系统。一是实现对机械手的控制,探索了远程操控机械来实现危险区域的安全作业。二是结合SVM算法开发了上位机手语识别软件,可以接收柔性传感手套的信号,并用SVM实现分类识别,最后将手语的含义用语音以及图片的形式进行播放。

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基于激光诱导石墨烯的多功能伤口监测传感器

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作者：刘震东浙江工业大学

学位级别：硕士

近年来,随着各种传感器在可穿戴设备上的广泛应用,对于传感材料及器件的小型化、柔性化及稳定性提出了更高的要求。此外,人们还希望可穿戴传感器拥有尽可能多的功能以满足不同领域的需求。在日常生产生活中,难免由于各种原因的外伤导致... 详细信息

近年来,随着各种传感器在可穿戴设备上的广泛应用,对于传感材料及器件的小型化、柔性化及稳定性提出了更高的要求。此外,人们还希望可穿戴传感器拥有尽可能多的功能以满足不同领域的需求。在日常生产生活中,难免由于各种原因的外伤导致皮肤出现伤口,伤口大致可分为慢性伤口和急性伤口两类。慢性伤口不仅治疗困难、康复周期长,而且严重的慢性伤口还可能导致截肢甚至危及患者生命。因此,开发和研制可有效监测慢性伤口状态的可穿戴柔性传感器有着非常重要的科学意义和社会价值。目前国内外学者开发的伤口监测传感器往往功能较为单一,只能监测伤口的单一信息,不能准确测量伤口真实状态。此外,目前国内外学者开发的伤口监测传感器没有对伤口的撕裂进行有效监测预警,而伤口的二次撕裂也是伤口难以愈合的重要原因之一。因此,本文提出了一种基于激光诱导石墨烯的新型伤口监测传感器,该传感器不仅具有柔性可拉伸的特点,还可以监测多种伤口信息（pH、温度、应变）。本文主要研究包含以下四个方面:（1）柔性应变传感器的设计、制造及测试。通过激光诱导石墨烯方法在聚酰亚胺薄膜表面制备一层多孔石墨烯。然后通过聚二甲基硅氧烷未固化时的粘性将多孔石墨烯转印到聚二甲基硅氧烷的表面。在拉伸变形下,多孔石墨烯会在表面形成大量的间隙裂纹从而导致电阻的改变了,即可通过电阻改变监测伤口是否被拉伸,从而给伤口进行拉伸预警。（2）柔性温度传感器的制备及性能监测。使用电化学工作站在激光诱导石墨烯表面电镀一层金属铜,利用金属铜的电阻-温度特性判断伤口的温度变化。通过软硬结合的结构设计隔绝了应变对温度传感器的干扰,使得温度传感器的测量更为准确。（3）柔性pH传感器的制备及性能监测。使用电化学工作站在激光诱导石墨烯表面电聚合聚苯胺。根据聚苯胺的电化学特性来监测伤口的pH值,并研究了不同电聚合条件对pH传感器性能的影响。通过理论推导和有限元模拟设计出一种蛇形结构,使得传感器可以在较大变形情况下仍然能正常工作。（4）伤口监测传感器监测性能分析。将基于激光诱导石墨烯的应变传感器、温度传感器、pH传感器集成为多功能伤口监测传感器。通过聚二甲基硅氧烷模拟人体皮肤伤口,实验表明利用多功能伤口传感器可有效监测模拟伤口的pH值、温度、应变状态等物理化学参数,进而可判断伤口状态。本研究通过合理的结构设计、有限元分析和实验研究,制备出了一种可拉伸的pH值、温度、应变多功能柔性传感器,用于实时监测伤口状态。该传感器不仅能监测伤口的愈合信息,为医生的治疗提供指导性意见,还能及时的对伤口处的应变进行监测,提醒患者避免伤口二次撕裂伤害。

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基于四氧化三钴/激光诱导石墨烯复合材料的无酶葡萄糖传感器的研究

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作者：郑才栋南京邮电大学

学位级别：硕士

与传统的酶葡萄糖传感器相比,无酶葡萄糖传感器具有稳定性高、制备简单和成本低廉等优点。然而这些传感器大多存在着选择性差、抗干扰性低等问题,阻碍着无酶葡萄糖传感器的大规模应用。正因如此,在当下无酶葡萄糖传感器的研究中,如何制... 详细信息

与传统的酶葡萄糖传感器相比,无酶葡萄糖传感器具有稳定性高、制备简单和成本低廉等优点。然而这些传感器大多存在着选择性差、抗干扰性低等问题,阻碍着无酶葡萄糖传感器的大规模应用。正因如此,在当下无酶葡萄糖传感器的研究中,如何制备合适的电极材料成为一个亟待解决的问题。近年来,具有功能化纳米结构的金属氧化物成为研究人员关注的焦点,因为它具有诸多优点,比如成本低廉、电活性表面积大、氧化还原特性强和生物相容性好。石墨烯凭借其独特的二维(2D)碳纳米材料结构表现出突出的特性,如大的比表面积,高的机械强度,以及良好的电化学导电性,同时还可以负载具有催化活性的纳米粒子,为葡萄糖催化提供反应活性位点。因此,将过渡金属氧化物纳米材料与石墨烯成功耦合后,产生催化活性更强的催化剂,使其成为未来无酶葡萄糖传感器电极材料研究的最有希望的候选者。本文主要研究工作如下:首先,采用一步激光直写碳化技术制备了一种将CoO纳米粒子均匀嵌入到三维多孔激光诱导石墨烯(CoO NPs-LIG)中的柔性电极。利用TEM、SEM和XPS等材料表征技术对制备的CoO NPs-LIG进行了全面表征,分析了CoO NPs-LIG的微观结构和元素组成。结果证明了目标物质的成功合成,CoO NPs的存在有利于产生多层石墨烯的无序结构,这种无序结构对于石墨烯的电化学催化特性起到了一定的促进作用。由于LIG良好的导电性和CoO纳米粒子的多个高活化位,该复合电极具有显著的协同效应,可以增强电荷转移,从而提高葡萄糖传感器的电化学性能。对CoO NPs-LIG柔性电极的电化学性能进行了评估,结果该传感器表现出214μA mMcm的高灵敏度,0.41μM的低检测限(LOD),1μM至9 m M的宽线性检测范围,以及0.49 s内的快速响应时间。与之前报道的其它无酶葡萄糖电化学传感器相比,我们开发的CoO NPs-LIG无酶葡萄糖传感器的各项性能指标更加优异。通过制备的传感器实际测量了真实的血清样本中的葡萄糖浓度,并与商用血糖仪做了详细对比,结果显示CoO NPs-LIG无酶葡萄糖传感器表现出良好的准确性。接触角实验结果证明CoO NPs引入到LIG电极可显著提高电极浸润性,从而有效改善了水电解质的传输和扩散,有利于葡萄糖分子在电极上吸附。根据第一性原理利用QUANTUM ESPRESSO软件进行电子结构和态密度计算研究,分析了葡萄糖传感器的可能传感机制。之后,利用丝网印刷技术构建了基于丝网印刷电极的便携式无酶葡萄糖传感器。通过制备掺杂CoO NPs-LIG的混合油墨来减弱丝网印刷电极材料与衬底之间相互作用。CoO NPs-LIG的引入使得该传感器拥有高灵敏度(143μA m Mcm),相对较低的LOD(0.48μM),宽线性检测范围(1μM～11 m M),以及极快的响应时间。此外,传感器在葡萄糖浓度检测中表现了优秀的可重复性、稳定性和选择性。多孔结构的CoO NPs-LIG制备的丝网印刷油墨比普通油墨拥有能加优秀的电化学性能,能够有效的提高电子转移速率,为开发可用于各种生物分析的低成本便携式无酶葡萄糖传感器开辟了一条新途径。综上所述,本研究为开发金属氧化物纳米颗粒均匀嵌入激光直写石墨烯的异质构造开辟了一种创新型的、简便的途径,为在不久的将来开发灵活、可穿戴的、高灵敏的无酶葡萄糖传感器提供了一种可行的策略。

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基于激光诱导石墨烯的室温柔性NOx气体传感器研究

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作者：郑广浩河北工业大学

学位级别：硕士

氮氧化物(Nitrogen Oxides,NO)是环境的主要污染物,易造成酸雨和光化学烟雾,同时也是人体代谢的产物,是呼吸道系统疾病的标志性气体,在超过25 ppb(十亿分之一)浓度即可对人体气道造成危害,因此对传感器的性能提出了更高的要求。近几年,... 详细信息

氮氧化物(Nitrogen Oxides,NO)是环境的主要污染物,易造成酸雨和光化学烟雾,同时也是人体代谢的产物,是呼吸道系统疾病的标志性气体,在超过25 ppb(十亿分之一)浓度即可对人体气道造成危害,因此对传感器的性能提出了更高的要求。近几年,石墨烯材料由于其比表面积大、离子迁移率高等特点,成为极具潜力的传感材料。但是,石墨烯作为室温传感材料,其选择性差、灵敏度低、难以快速恢复、受环境湿度影响大,制备工艺复杂是目前面临的主要问题。基于以上问题,本论文在大气环境下采用激光直写技术,一步制备了新型三维多孔石墨烯材料,提出了激光诱导石墨烯合成机理。设计构建三维多孔石墨烯基气体传感器,研究激光工艺参数(激光功率、图像密度、离焦距离)、石墨烯微观结构、气敏性能三者之间的构效关系,提出最优传感器制备工艺参数。引入半透膜进行传感器的封装,提出了传感器的防潮策略。系统研究激光诱导石墨烯基传感器对于NO气体传感性能,并进行环境监测与慢阻肺病人诊断的应用研究。具体研究内容如下。(1)开展了大气环境下二氧化碳激光器辐射聚酰亚胺(Polyimide,PI)薄膜制备三维多孔石墨烯的实验研究,分析了激光工艺参数(激光功率、图像密度、离焦距离、扫描方式)对于石墨烯微观结构的影响,提出了激光诱导石墨烯一步制备与性能调控机理。(2)基于激光诱导石墨烯,设计制备柔性可拉伸气体传感器,传感器由蛇形可拉伸电极结构、细线传感结构组成,采用激光直写同步制备,并旋涂聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)半透膜进行封装。分析不同微观结构激光诱导石墨烯的气敏响应特性,提出了最优的传感器制备工艺参数。分析了三维多孔石墨烯气体传感器对于NO的气体传感机理。(3)系统分析了激光诱导石墨烯传感器的气体响应性能,对于NO、NO气体的响应量分别是4.18‰/ppm和6.66‰/ppm,响应/恢复时间分别是113 s/296 s和134s/388 s,理论检测限分别是8.3 ppb和4.0 ppb,在相对湿度范围15%～90%变化时,气体响应保持不变。同时在10%～30%的拉伸性下,传感器能够实现稳定传感,证明其可适应人体皮肤的形变。(4)基于激光诱导石墨烯气体传感器的高灵敏度与防潮性能,开展了传感器的应用研究。实现了一天中不同时间内的室外空气质量的实时监测,并与标准检测仪器对比,气体浓度检测趋势一致;采集12例健康人群与23例慢阻肺病人的呼吸样气进行检测,实现了慢阻肺患者的快速诊断。

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基于激光诱导石墨烯的柔性压阻式皮肤应变传感器设计及应用研究

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作者：房国庆浙江理工大学

学位级别：硕士

柔性压阻式皮肤应变传感器因其优异的传感性能和良好的舒适性,能够实时且精准地捕获常见的生理信号或皮肤运动信息,已广泛应用于人体健康监测和机械化智能控制等多个领域。石墨烯材料具备导电性强、化学稳定性好、机械强度高、比表面积... 详细信息

柔性压阻式皮肤应变传感器因其优异的传感性能和良好的舒适性,能够实时且精准地捕获常见的生理信号或皮肤运动信息,已广泛应用于人体健康监测和机械化智能控制等多个领域。石墨烯材料具备导电性强、化学稳定性好、机械强度高、比表面积大等优点,同时多层石墨烯电阻变化受应变影响明显,使其成为制备柔性压阻式传感器的理想材料。然而传统石墨烯制作方法能耗大、效率低、成本高和易造成环境污染。而且,若要把无定型石墨烯粉末转移到柔性衬底上,并形成特定形状的电极,需要复杂的操作过程,和较高的制备成本。激光诱导石墨烯(LIG)是通过激光烧蚀聚酰亚胺(PI)薄膜形成石墨烯结构,为石墨烯及其传感器的制备提供了一种快速、低成本的新思路。相比于红外激光通过光热法生成石墨烯,紫外激光具有制备更薄更窄LIG电极的优势。本文系统地探究了通过紫外激光烧蚀PI膜制备石墨烯基柔性应变传感器的方法,并对所制备传感器的性能和可穿戴应用进行研究。本文的研究内容主要包括以下几个部分:(1)采用紫外激光在PI薄膜上诱导生成图案化石墨烯,对材料进行表征分析,观察其微观结构及元素构成。结果表明,紫外激光烧蚀获得的LIG与传统方法制备的石墨烯具有相同的结构和性能,能够满足传感器使用要求。随后对激光参数进行探索,分析不同参数下LIG表面形貌和传感性能的区别,最终选择最佳激光参数,即脉冲频率150 k Hz,扫描速度50 mm/s,扫描间距0.02 mm。得益于激光诱导制备过程简单且精度高,可以实现LIG传感器低成本批量制备。(2)测试PI基底上LIG传感器在弯曲和压缩形变下的传感性能,实验结果表明,LIG传感器具有较好的灵敏度和线性度,向外弯曲时灵敏度因子(GF)约为1.6,拟合直线的线性回归系数R>99%;压缩应变下获得的GF达到57以上,R=98.6%,且表现出优秀的重复性。此外,传感器能够有效进行肢体动作捕捉和常见生理信号传感。对人体唇部肌肉进行建模,设计出符合唇部肌肉运动的唇语传感器,采集日常短语的唇语信号,通过识别算法完成简单的唇语识别与机械臂控制工作。(3)针对PI基底不易拉伸以及压缩形变量不足等缺点,同时考虑人体皮肤的多维应变状态,替换LIG基底材料,并对传感器的结构重新设计,探索具备多方向传感能力的应变传感器。首次采用聚乙烯泡棉丙烯酸双面胶带转印图案化LIG电极,并构建双层十字型结构的应变传感器,完成拉伸、压缩、弯曲、扭曲等复杂多样的形变测试。实验结果表明,所设计的传感器具备极佳的性能(拉伸应变下GF=79.2,R=90.4%;压缩应变下GF=0.22,R=97.9%),并表现出很好的抗疲劳性,能够借助手势动作控制传感器形变并完成摩尔斯编码等应用工作。为了进一步增强传感器压缩传感能力,采用具备优异机械弹性的CNTs/PDMS复合结构做为传感器夹层,制备三明治结构的多维应变传感器,使得传感器在压缩应变下的灵敏度进一步提升(压缩GF=1.3,R=98.6%),可以监测人体脉搏、心跳等微弱形变信号,并用于控制智能小车运动等人机交互操作。

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基于激光诱导石墨烯对电极的染料敏化太阳能电池研究

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作者：卢宇沈阳师范大学

学位级别：硕士

环境问题和能源需求量上升促使能源体系的转变,因此对清洁可再生能源的研究成为重中之重。太阳能资源是颇具潜力的可再生能源之一,资源丰富,在光伏器件领域的探究和应用成为研究热点且不断进步。发展到染料敏化太阳能电池(Dye-sensitize... 详细信息

环境问题和能源需求量上升促使能源体系的转变,因此对清洁可再生能源的研究成为重中之重。太阳能资源是颇具潜力的可再生能源之一,资源丰富,在光伏器件领域的探究和应用成为研究热点且不断进步。发展到染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cells,DSSCs)已是第三代,其制备过程简便、原材料价格经济、来源丰富且环保,发展前景较好。传统材料铂(Pt)属于贵金属,因其性能极佳,成为对电极材料的首选,但储量较少价格高昂,难以实现工业化。因而,探究经济实用、催化活性好的替代材料是当下很重要的研究方向。通过激光诱导不同碳源的方法制备的激光诱导石墨烯(Laser-induced graphene,LIG)近些年来发展迅速,激光诱导法精准高效无污染,制备出的LIG是三维多孔结构,比表面积大、催化性能良好,常应用于储能器件及传感器等,很少用于太阳能电池。本文用激光诱导法将不同聚合物制成LIG,作为DSSC对电极材料探究其性能。具体的研究内容和结果如下:(1)激光诱导聚3,4-乙撑二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸/二甲基亚砜(PEDOT:PSS/DMSO)薄膜制备LIG对电极:采用滴涂法制备PEDOT:PSS/DMSO薄膜,自然晾干成膜。在不同功率下进行激光诱导,得到LIG对电极材料,激光处理过后表面形貌改变催化活性有所提升。器件测试结果表明,相对激光功率为70%得到的LIG对电极制备的DSSC光电转换效率最高(3.26%),是铂对电极(4.44%)的73%,得到较好的研究结果。(2)激光诱导聚酰亚胺薄膜制备LIG对电极:将热塑性聚酰亚胺溶液采用刮涂法,通过一定的加热工艺在FTO导电玻璃上合成聚酰亚胺薄膜,再进行不同次数的激光处理,制得LIG对电极材料,都具有良好的催化活性。采用不同表征和测试方法研究了激光处理次数对其结构和电化学性能的影响。器件测试结果表明,激光处理次数为3次时得到的LIG催化性能最佳,作为对电极制得的DSSC光电效率为4.78%,是铂对电极的90%(5.31%)。(3)LIG/碳布复合对电极:先将碳布固定在玻璃衬底上,采用刮涂法和滴涂法制备对电极材料。我们将PEDOT:PSS/DMSO滴涂到碳布上,用70%的相对激光功率进行激光处理;热塑性聚酰亚胺溶液则采用刮涂法在碳布上制备复合薄膜,用100%的相对激光功率处理3次,得到两种复合对电极材料,并探究其光电性能。器件测试结果表明,基于PEDOT:PSS的LIG复合对电极具有比基于聚酰亚胺的LIG复合电极更高的光电转化效率。

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基于激光诱导石墨烯的柔性力学传感器的研究

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作者：崔懿璇南京邮电大学

学位级别：硕士

激光诱导石墨烯是一种可以在自然环境下利用激光雕刻机对含碳量适当的前驱体进行激光雕刻制备的三维石墨烯泡沫。相较于传统制备石墨烯的方式而言,该方法更加简单、环保、经济并且可以批量生产。激光诱导石墨烯可以生成于柔性材料的表面... 详细信息

激光诱导石墨烯是一种可以在自然环境下利用激光雕刻机对含碳量适当的前驱体进行激光雕刻制备的三维石墨烯泡沫。相较于传统制备石墨烯的方式而言,该方法更加简单、环保、经济并且可以批量生产。激光诱导石墨烯可以生成于柔性材料的表面,又具有丰富的内孔,极高的比表面积,良好的导电性,且易于与其他材料复合,因而在柔性传感器的应用上具有天然的、不可替代的优势。本文选择在该技术条件下制备激光诱导石墨烯材料,并通过与Ag NWs(Ag Nanowires,银纳米线)、PEDOT:PSS(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene),聚3,4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐)材料复合得到力学传感元件,选用邦迪创可贴、PDMS(Polydimethylsiloxan,聚二甲基硅氧烷)为基底材料成功制备了一系列基于LIG(Laser-induced graphene,激光诱导石墨烯)复合材料的柔性力学传感器,并详细研究了不同因素对于柔性传感器件的性能影响,具体研究如下所述:第一章,详细介绍了激光诱导石墨烯形成机制及复合材料的制备方法,概述了基于激光诱导石墨烯及其复合材料在柔性传感器方面的研究现状与发展前景。第二章,为了解决柔性压力传感器为获得微观形貌而采用复杂技术手段的问题,我们直接选用具有天然棉纤维的邦迪创可贴棉芯结构为传感器的基底材料,通过浸入Ag NWs获得导电通路,制备了基于LIG/Ag NWs复合材料的柔性邦迪压力传感器,实现了对压力信号的检测。阐述了基于LIG/Ag NWs复合材料的柔性邦迪压力传感器的传感原理,以为NMP(N-Methyl pyrrolidone,N-甲基吡咯烷酮)为分散剂,深入研究了不同因素对于传感器性能的影响,并对传感器进行功能测试。结果表明当LIG/NMP浓度为10mg/ml,涂覆次数为4次时该传感器有良好的性能表现,其压力监测阈值为0-180N,时间弛豫约为300ms,连续100次施压和撤压后性能仍可以保持稳定。通过对其进行动态跟踪测试表明该传感器可以用于监测和识别不同动态姿势,如弯曲手指和击掌的动作。第三章,为了进一步增大柔性应变传感器的线性范围,提高其应变值,我们利用匀胶机制备了PDMS薄膜,通过共混法掺杂激光诱导石墨烯制得基于LIG/PEDOT:PSS材料的导电油墨,并将导电油墨注入PDMS塑形的中空管中制得基于LIG/PEDOT:PSS材料的柔性应变传感器。阐述了基于LIG/PEDOT:PSS材料的柔性应变传感器的传感原理,研究了PEDOT:PSS掺杂体积、LIG浓度对于传感器电学性质以及形变的影响。此外研究发现,该技术条件下传感器的弹性应变可提升至300%,在0-100KPa范围内的最高灵敏度可达0.94568k Pa,对于0-180°弯曲角度感知敏感,在200次完全拉伸下其传感性能依然可以保持稳定。此外,继续加长PDMS中空管的长度并以一端起点进行缠绕得到新型的盘式柔性压力传感器,并测试了其性能。第四章,随着对柔性力学传感器研究的不断深入,我们将力学与功能电路联系起来,发展了以频率显示压力特性的柔性力学-频率传感器。为了研究激光雕刻过程中的光热转化机制,我们通过COMSOL三维建模模拟了激光雕刻的光热过程,分析了激光雕刻过程中的热分布,结合实验研究了激光功率、雕刻时间对于LIG电学性质的影响。通过将LIG图案化雕刻成指交叉的微电容,结合一阶RC电路实现了将压力与截止频率之间的相互转化,制备了基于LIG材料的柔性RC压力-频率传感器。阐述了柔性电路压力-频率传感器的传感原理,分析了电路本身的时域与频域特性、瞬时响应特性、滤波特性,测试了不同压力作用下力与截止频率的转化关系,传感器的循环性以及不同弯曲角度、不同温度变化下的稳定性。结果表明,该传感器在500k Hz输入信号下的瞬时响应为0.5,其幅频特性曲线和相频特性曲线的变化趋势与理论计算值具有良好的一致性。环境适应性较好,在循环5000次的弯折(0-180°)测试和不同环境温度(0-100℃)的测试条件下,其性能均可保持稳定,具有良好的环境适应性。

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超级电容器电极新材料：激光诱导石墨烯/镍钴氢氧化物制备及性能研究

超级电容器电极新材料：激光诱导石墨烯/镍钴氢氧化物制备及性能...

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作者：宋彦平重庆交通大学

学位级别：硕士

随着全世界范围内能源危机不断加剧,高效的能量存储技术在生产、生活中越来越被人们所重视。在各种储能设备中,超级电容器作为一种新型储能装置,其具有功率密度高、充电速度快、循环寿命长、安全性能高等优势,因此在许多有高性能储能要... 详细信息

随着全世界范围内能源危机不断加剧,高效的能量存储技术在生产、生活中越来越被人们所重视。在各种储能设备中,超级电容器作为一种新型储能装置,其具有功率密度高、充电速度快、循环寿命长、安全性能高等优势,因此在许多有高性能储能要求的领域中发挥了重要的作用并显示出了极大的应用前景。在超级电容器中,电极材料是决定其性能的关键因素之一,通过合理的电极材料成分配比和结构设计可以使得超级电容器的性能更优化。本文研究的超级电容器用电极材料,主要涉及石墨烯电极材料和镍钴氢氧化物赝电容电极材料。采用高效快速的激光诱导技术完成石墨烯的制备,克服了传统石墨烯制备方法复杂、制备成本高的缺陷。而后将激光诱导石墨烯(LIG)作为导电支撑基底,通过电化学沉积法在其上生长了具有高比电容的镍钴层状双金属氢氧化物(NC-LDHs)而制得了NC-LDHs/LIG复合电极材料。采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、拉曼光谱(Raman)、X射线衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)和比表面积(BET)测试等表征技术对电极材料的形貌和结构进行了分析,通过电化学工作站对其电化学性能进行了测试。在此基础上,使用PVA/KOH凝胶电解质组装了柔性超级电容器并研究其电化学性能,主要研究工作和结论如下:使用激光诱导技术在耐碱性的聚苯硫醚(PPS)前驱体上一步高效地完成了石墨烯制备,同时通过激光参数的调控改善了LIG的形貌和导电性。获得的LIG具有纤维结构,其有利于电化学反应中电子的方向传递以及离子的高效传输;在PPS薄膜上制得的激光诱导石墨烯,可使只在碱性电解质中才具有稳定比电容的NC-LDHs材料在LIG领域成功应用。使用PPS支撑的LIG纤维作为导电支撑,在其上通过电化学沉积法制备了NC-LDHs/LIG复合电极,LIG纤维结构有效地减弱了NC-LDHs纳米片的团聚。同时,制得的NC-LDHs纳米片上存在许多通孔,这些通孔有利于增加NC-LDHs的比表面积和电化学活性位点。对NC-LDHs/LIG复合材料的Ni、Co比例进行调控,在制备的7种不同Ni:Co摩尔比的样品中,通过形貌和电化学表征,选择出了性能最优的NC-LDHs/LIG(Ni:Co=2:1)复合材料作为超级电容器用电极材料。对NC-LDHs/LIG电极进行电化学测试,其最大比容量达4503 m F/cm,同时其具有良好的倍率性能和循环稳定性。借助于激光诱导技术的图案化特性,在柔性PPS薄膜上制备了石墨烯基微型超级电容器(LIG-MSC),其表现出长的循环寿命,经过了8000次充放电循环后仍保持了初始电容量的91%。基于NC-LDHs/LIG复合电极材料,组装了非对称超级电容器,其获得了出色的电化学性能,最高面积比电容为699.4 m F/cm、最高能量密度为219μWh/cm、最高功率密度2640μW/cm。总之,本文利用了高效的激光诱导技术来制备石墨烯,并将其与高比电容的NC-LDHs进行复合,制备出了性能优异的NC-LDHs/LIG复合电极材料,由其组装的柔性超级电容器获得了出色的电化学性能,在能量储存领域展现出了极大的应用前景。

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基于激光诱导石墨烯技术的柔性应变传感器和柔性执行器的研究

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作者：吴楚锋电子科技大学

学位级别：硕士

近年来,作为机电领域研究热点之一柔性电子器件受到广泛关注。柔性电子器件具有重量小、刚度低,变形能力强的特点,与传统电子设备相比,柔性电子器件的应用范围更灵活。激光诱导石墨烯（Laser-induced graphene,LIG）技术是一种常用的制... 详细信息

近年来,作为机电领域研究热点之一柔性电子器件受到广泛关注。柔性电子器件具有重量小、刚度低,变形能力强的特点,与传统电子设备相比,柔性电子器件的应用范围更灵活。激光诱导石墨烯（Laser-induced graphene,LIG）技术是一种常用的制备柔性电子器件电极材料的技术,其通过灼烧聚酰亚胺（Polyimide,PI）表面来制备含石墨烯二维电极材料,且具有成本低、速率快、工艺成熟的特点。国内外学者们利用LIG技术研制了许多性能良好的柔性电子器件,其中LIG电极在柔性应变传感器和柔性执行器的应用中极具潜力。然而,在柔性应变传感器方面,基于LIG电极的柔性应变传感器大多未形成稳定可重复的加工工艺,同型号应变传感器间的结构尺寸和传感性能的一致性较差;在柔性执行器方面,柔性电极采用制备方式更便捷的LIG电极技术的研究较少,通常由成本较高、加工繁琐的银浆、炭黑、碳纳米管等材料组成。为解决以上存在的难题,本研究将探索协同制备性能良好的LIG柔性应变薄膜传感器和LIG柔性薄膜执行器的方法。首先,本文设计了柔性电极以及其制作工艺。由液体转化为固体的聚二甲基硅氧烷有机硅（Poly-dimethylsiloxane,PDMS）形成吸附PI-LIG联合层的软胶薄膜;然后用强碱腐蚀PI,无伤分离LIG-PDMS柔性电极。此工艺制作的LIG-PDMS柔性电极为柔性应变传感器和执行器的核心。其次,本文设计了结构尺寸和传感性能一致性高的LIG柔性应变薄膜传感器,并设计了该传感器具有稳定可重复性的加工工艺。根据对得到的LIG柔性应变薄膜传感器进行的测试,薄膜传感器的结构尺寸精确,误差为±0.06 mm;LIG经过封装后,薄膜传感器硅胶内的微结构均匀;薄膜传感器受法向挤压应力时,线性变化范围为28.36%,灵敏系数G为28%,薄膜传感器受周期性法向挤压时电阻重复性良好;薄膜传感器受轴向拉伸应力时,其线性变化范围为25.02%,灵敏系数G为37%,薄膜传感器受周期性轴向拉伸时电阻重复性良好。最后,利用LIG-PDMS柔性电极搭建具有双层电极、较薄介电层（0.149 mm）、变形响应时间低至0.04 s的LIG柔性介电弹性体执行器。并验证了由此执行器搭建的软体机器人有0.44 mm/s爬行速度。本文基于LIG技术协同制备了具备良好电学传感性能且一致性较高的柔性应变传感器,以及响应迅速的柔性执行器。这两种柔性电极的具体应用方案为LIG在柔性电子器件方向上的应用提供了启发。

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同方学位论文库评论

基于激光诱导石墨烯的三相界面酶电极构筑及传感性能研究

引用

作者：张曼苏州大学

学位级别：硕士

电化学酶生物传感器因具有选择性好、灵敏度高、操作便捷等优点被广泛应用于食品工业、环境检测、生物医疗等领域。其经典的工作原理为:在氧气(O2)存在下,氧化酶选择性地催化氧化其底物(待测物),同时生成等比例的过氧化氢(H2O2),通过电... 详细信息

电化学酶生物传感器因具有选择性好、灵敏度高、操作便捷等优点被广泛应用于食品工业、环境检测、生物医疗等领域。其经典的工作原理为:在氧气(O2)存在下,氧化酶选择性地催化氧化其底物(待测物),同时生成等比例的过氧化氢(H2O2),通过电催化氧化或还原H2O2将其浓度信号转换为电信号,即可获得待测物的含量。在传统酶生物传感检测过程中,所需O2来源于待测溶液,由于溶液中O2浓度低且易波动,影响了氧化酶催化动力学,降低了酶传感检测的可靠性。为了解决上述问题,受自然界中超浸润表面的启发,科学家们利用超疏水表面接触水后能够形成固-液-气三相界面的特殊性质,开发了具有三相界面的新型氧化酶电极及电化学酶生物传感器,有效解决了酶传感检测中的缺氧问题,大幅提升了传感器的性能。然而,这些三相界面电极的制作过程大多需要复杂的工艺,使得其批量化制造变得困难。因此,需要开发一种简单且经济的方法来实现三相界面酶电极及传感器的规模化制备。近年来,激光雕刻技术由于具有无需掩模、操作简单以及可连续化等优点受到广泛关注。利用此技术可以在多种高分子基材上进行微纳米结构图案化的大批量连续化构筑。其中,通过激光诱导法可以将聚合物基材(如聚酰亚胺、聚乙烯亚胺等)直接碳化为石墨烯。激光碳化所形成的三维(3D)多孔石墨烯通常被称为激光诱导石墨烯(LIG)。LIG因具有优异的导电性和可扩展制造等特点被认为是用于制备电化学传感器最有希望的候选材料之一。本文以LIG为电极基底,通过表面润湿性调控,构建了固-液-气三相界面酶电极,为高效电化学酶生物传感器的规模化制备提供了新方法和新思路。具体研究内容如下:一、基于二氧化碳激光诱导石墨烯(CO2-LIG)的三相界面酶电极构筑、氧化酶催化动力学及电化学生物传感性能研究。利用红外CO2激光雕刻技术,在聚酰亚胺(PI)薄膜上制备多孔且导电的LIG,随后依次修饰疏水层(聚二甲基硅氧烷,PDMS)、电催化剂(Pt纳米颗粒)以及氧化酶层,构建了三相界面酶电极。该CO2-LIG基酶电极具有固-液-气三相界面,可通过气相向酶反应区提供恒定且充足的O2,这大大增强并稳定了氧化酶催化反应动力学。研究发现,基于该LIG三相界面体系的酶促反应速率比传统两相体系提高了 21.2倍,酶传感检测的线性范围扩大了 60倍。此外,三相酶电极可采用电化学阴极还原法对酶催化产物H2O2进行检测,大幅减少了待测溶液中多种中易氧化物质带来的干扰,提高了检测的选择性。该工作为设计和构建高性能生物传感器件提供了一种简单而有效的方法。二、基于紫外激光诱导石墨烯(UV-LIG)的柔性三相界面酶电极构建、酶催化动力学及电化学生物传感性能研究。在上一章节研究工作的基础上,通过改变激光的光源,利用紫外(355 nm)激光器在PI基底上制备了更薄、更紧密的多孔石墨烯,开发了柔性可弯折三相界面酶电极,并对酶催化动力学及电化学生物检测性能进行了探究。结果表明UV-LIG基三相界面酶电极的线性检测范围、准确性等均比两相界面酶电极有大幅提升。更为重要的是,基于UV-LIG所构建的三相界面酶电极具有高的耐弯折性和机械稳定性。该项研究工作为未来柔性可穿戴式三相界面酶电极及电化学生物传感器的开发提供了新思路。

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