山东大学王凌云研究员、于伟泳教授《AM》：用于液滴能量收集及可打印电子皮肤的高性能导电聚合物电极

柔性电子技术在能量收集和可穿戴传感器等领域具有广阔前景，但其关键部件 —— 高性能电极的开发仍面临挑战，尤其在导电性与机械性能之间难以兼顾。传统无机电极材料（如硅、氧化锌）虽然导电性优异，但由于刚性高（杨氏模量 >100 GPa ）、脆性大，难以适应柔性器件的形变需求。相比之下，水凝胶电极具有良好的延展性和生物相容性，但其高含水量导致机械强度低（拉伸强度 < 1 MPa ）、韧性差（ <10 MJ m -3 ） ， 且电导率低（ <10 S m -1 ），环境稳定性也较差。近年来 ， 聚苯并二呋喃二酮（ PBFDO ）等高导电聚合物的突破性进展（电导率 >2000 S cm -1 ）为解决这一性能矛盾提供了新思路。然而，如何将其卓越的电学性能与柔性聚合物基体的高机械鲁棒性协同整合，仍是 存在的 关键问题。

近日，山东大学集成电路学院王凌云研究员与化学与化工学院于伟泳教授团队与其合作者在高性能导电聚合物电极研究中取得重要进展。为了在不牺牲 力学 性能的 前提 下实现高导电性， 团队 开发 了一种双连续 导电 聚合物电极（ BC - PE ），将 PBFDO 作为导电相，热塑性聚氨酯 （ TPU ） 为 机械相 。 通过溶剂蒸发诱导的 相分离 ，促 使 BC - PE 展现出连续的导电相和机械相 ，实现 了 高于 60 S cm -1 的 电 导 率 ， 大于 600% 的断裂伸长率 ，超过 230 MJ m -3 的 韧性 ， 且 具 有 良好的 生物相容性 、可回收性、环境 稳定性 和机械耐久性等特性 。 基于 BC-PE ，构建了高性能柔性水滴能量收集 器件 和人机交互电子皮肤，展示了其在柔性能量收集与可穿戴电子技术中的广阔应用前景。 该 成果以 “ Highly Robust and Conductive Polymer Electrodes for Droplet Energy Harvesting and Printable On-Skin Electronics ” 为题发表在 《 Advanced Materials 》。山东大学王凌云研究员、于伟泳教授、大连工业大学王宇副教授及香港城市大学Walid Daoud教授为论文的共同通讯作者 。

通过分子协同设计，创新性地开发了 BC-PE ，巧妙 地将 高导电聚合物 PBFDO 与 具备优异弹性的 TPU 有效融合。二者在共溶剂 DMSO 中通过氨基 - 羰基氢键形成均匀共混体系， 经过滴涂 成膜与热诱导相分离后形成双连续网络结构 ， PBFDO 保障电子高效传输， TPU 耗散机械应力，从而同步突破导电性、拉伸性与韧性的权衡壁垒 ， 为 其 应用于柔性能量收集 器件 与电子皮肤奠定了基础。

图 1 . BC - PE 的 制备 过程 和 结构 表征

通过调控 PBFDO 含量，实现了 BC-PE 的 力学与电学性能的协同优化 ： 最高 电导率 6 4.6 S cm -1 、最大 拉伸 强度 57.4 MPa 、断裂伸长率 大于 600% 、韧性高达 231.6 MJ m -3 ，可承载 超过 自身 7 . 3 万 倍重量 ，具有 机械鲁棒性 ，环境 稳定 性和可回收重复利用性 。通过跨材料体系对比 ， 表明 BC - PE 具有良好的综合性能 ，为柔性电极在 柔性 能量收集 器件 与电子皮肤的应用奠定基础 。

图 2 . BC - PE 的 力学性能 和 导电性能

基于 BC-PE 构建了柔性水滴能量收集器件，并系统评估了其性能适应性与环境稳定性。通过调控 实验参数 ： 当 水滴 释放高度增至 25 cm 、体积增至 27.8 μ L 时，输出电流可达 0.9 mA ，且器件在不同弯曲状态下仍保持稳定输出，体现出优良的柔性适应性。

图 3 . 基于 BC-PE 的柔性水滴能量收集器件的原理与输出性能

进一步研究表明，液滴中离子浓度对输出性能具有显著影响：当浓度由 50 mM 提升至 200 mM 时，电流响应由 1.3 mA 显著提升至 5.6 mA ，然而当浓度超过 200 mM 后 ， 由于电荷耗散作用导致性能下降。在 50 kΩ 外负载条件下，该器件实现了 高达 1124.2 W m -2 的 瞬时 功率密度。同时，该器件表现出优异的环境耐受性。在模拟酸雨冲击条件下，仍可稳定输出 0.77 mA 电流，且在空气中暴露 一 年后，其输出性能无明显衰减。这一性能优势也为其在极端环境下的能量采集和酸雨监测等应用提供了新的可能性。

图 4 . 基于 BC-PE 的柔性水滴能量收集器件的输出性能

将 TPU / PBFDO 作为导电油墨 ， 结合直写打印技术，成功构建了基于 BC-PE 的柔性电子皮肤器件。该 电子皮肤 能够紧密贴合于人体手背，表现出 良好 的柔顺性和皮肤贴附性，同时具备良好的生物相容性和佩戴舒适性，适用于长时间的应用。 另外 ， 构建了基于电子皮肤的视频播放状态控制系统， 可实现对视频播放、暂停等操作状态的精确控制，展现 了 出色的人机交互能力。该电子皮肤在空气 中 保存一年后仍能 正常使用 。该研究 展现出了 在 柔性可穿戴的人机交互领域 的 良好 应用前景。

图 5 . 直写打印制备基于 BC - PE 的电子皮肤并用于人机交互

小 结

研究团队 开发了一种具有双连续结构的高性能导电聚合物电极，兼具优异的导电性与力学性能，同时具备良好的环境稳定性、生物相容性和可回收性。在此基础上，构建了高效的 柔性 水滴能量收集器件，实现了 高 电学输出 性能 ，并在多种环境条件下展现出优异的稳定性。此外，该电极还被应用于直写打印柔性电子皮肤，成功实现了通过触控轨迹识别控制视频播放的人机交互功能，展示了其在智能可穿戴设备中的广阔应用前景 。

来源：高分子科学前沿

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