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复旦大学:纺织品也能做显示器,想到过吗?

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第一作者:Xiang Shi, Yong Zuo, Peng Zhai

通讯作者:复旦大学

通讯单位:彭慧胜,陈培宁


显示器作为现代电子产品的基本组成部分,将显示器融入智能电子纺织品,实现可穿戴技术的最终目标,从而改变了我们与电子设备交互的方式。显示设备已经从刚性面板发展到柔性薄膜,但电子纺织品的配置和制造不同于常规的薄膜设备,例如当前用于构造柔性显示器的有机发光二极管(OLED)。一方面,纺织品是由纤维编织而成的,会形成粗糙多孔的结构;另一方面,OLED是通过在阴极和阳极之间沉积多层半导电有机薄膜制成的,而阴极和阳极则放置在诸如玻璃或塑料之类的平面基板上。因此,当将这些薄膜装置贴附在纺织品的粗糙且可变形的表面上时,其性能通常较差或随着时间的流逝而失效。更重要的是,OLED 中的光发射依赖于阳极和阴极之间的载流子注入和传输。智能电子纺织品起到了人与机器之间的桥梁作用,例如为有语音或语音缺陷的个人提供实时通信工具。在之前的研究中,以前已经报道了能够通信、感测和提供电力的电子纺织品。然而,由于获得耐用且易于在大面积上组装的小型照明装置是具有挑战性的,因此尚未实现具有功能性且大面积展示效果的纺织品。



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成果简介

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鉴于此,复旦大学彭慧胜教授和陈培宁副研究员(共同通讯作者)采用全新的材料设计方案,报告了一种6m长,25cm宽的显示器纺织品,包含5×105个电致发光单元,间隔约800微米。导电纬线和发光经线纤维在纬线-经线接触点形成微米级的电致发光单元。即使纺织品弯曲,拉伸或压制时,电致发光单元之间的亮度偏差也小于8%,并保持稳定。同时,本文展示纺织品柔软而透气,可以承受反复的机洗,非常适合实际应用。此外,作者展示了由显示器,键盘和电源组成的集成纺织品系统可以用作通信工具,证明了该系统在包括医疗保健在内的各个领域的“物联网”中的潜力,从而将纺织品的电子设备的制造和功能统一在一起。相关研究成果“Large-area display textiles integrated with functional systems”为题发表在Nature上。



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核心内容

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作者使用基于硫化锌(ZnS)磷光体的电场驱动装置来编织显示纺织品,与 OLED 器件不同,分散在绝缘聚合物基体中的 ZnS 磷光体通过在聚合物基体上交变电场而被激活。这种电场驱动的装置需要纬线和经线之间只有空间接触就可以照亮,使其本质耐用且适于大规模生产。作者通过熔融纺丝离子液体掺杂的聚氨酯凝胶制备了透明(透射率超过90%)的导电纬纱纤维,并通过在镀银的导电纱上涂覆了商用的ZnS磷光体来制备了发光的经纱纤维。这种基于溶液的涂层是获得连续长度的发光经纱纤维的简单方法。


选择聚氨酯作为聚合物基体,原因在于它在编织过程中具有耐摩擦,压缩和弯曲的性能。为了确保均匀地涂覆ZnS,作者将导电纱浸涂在ZnS磷光体浆料中,然后在干燥之前使其通过自制的刮削微针孔,从而使用不同直径的微针孔调整ZnS磷光体粉层的厚度。为了评估发光涂层的均匀性,作者将100 m长的发光经线放入盐水中,并在它们之间施加交流电压。结果显示即使材料扭曲,发光性能仍然保持稳定对于30米长的发光纤维,发光强度变化小于10%。同时纤维不同位置沿圆周的强度几乎相同,并且与观察角无关。带有不均匀ZnS磷光体涂层的纤维在某些电致发光单元中显示出不均匀的亮度和破坏,表明光发射需要均匀的发光涂层。

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图1.新型纺织品的结构和电致发光性能

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图2.新型纺织品的电致发光单元的表征

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图3.集成纺织系统的应用场景



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结论展望

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总而言之,作者提出了一种新型的智能电子织物,将导电纤维和发光纤维与棉纱编织在一起,以在纺织品内直接形成电致发光单元。同时,可用于将其他电子功能(例如键盘和电源)编织到织物中,从而形成用于各种应用的多功能集成纺织品系统,该织物作为大面积显示屏,根据不同的数字信号输入呈现出多元化的内容。由于纬线和经线的网络,电子织物中的每个电致发光单元都可以使用驱动器电路以可编程的方式进行唯一标识和点亮。从而证明了这种电子纺织品可以用作通信工具。随着更多功能的集成,作者期待这些“智能纺织品”将来在通讯、导航、医疗保健等领域广泛应用。


【文献信息】

Xiang Shi, Yong Zuo, Peng Zhai, Jiahao Shen, Yangyiwei Yang, Zhen Gao, Meng Liao, Jingxia Wu, Jiawei Wang, Xiaojie Xu, Qi Tong, Bo Zhang, Bingjie Wang, Xuemei Sun, Lihua Zhang, Qibing Pei, Dayong Jin, Peining Chen,Huisheng Peng,Large-area display textiles integrated with functional systems, 2021, DOI:10.1038/s41586-021-03295-8

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-021-03295-8




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南京工业大学:热膨胀补偿策略实现高性能燃料电池

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第一作者:Yuan Zhang

通讯作者:南京工业大学

通讯单位:邵宗平,周嵬


众所周知,作为有效的能量转换装置,固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,简称SOFC)的商业开发面临着热机械不稳定性。由于优越的氧还原活性和较高的导电性,中温固体氧化物燃料电池中最常用的正极材料是含钴钙钛矿。然而,钴离子的热还原、相关的相变和Co d轨道电子自旋状态下的热激活跃迁,导致其热膨胀系数(TECs)非常高(通常在20-25×10-6 K-1)。最关键的是,这些TECs远远大于普通的SOFC电解质。为了降低钴基电极的TEC值,研究者已经进行了相当大的努力,例如使用含有d0轨道的过渡金属进行晶格掺杂,将钙钛矿电极材料与电解质材料复合,在钙钛矿中引入A位点缺陷,或寻求原位形成热膨胀抑制相。但是,这些策略中的大多数都可以将钴基电极的TEC值降低到非常适度的程度,无法完全匹配电解质的TEC值,并且可能对氧还原反应(ORR)活性产生负面影响。由于不同燃料电池组分之间的热膨胀行为不匹配,引起的大的内部应变梯度是造成这种不稳定的主要原因,这可能导致电池退化、分层或断裂。当务之急是寻求一种能够大幅降低热膨胀(水平约为10-6K-1),而不对ORR活性施加负面影响甚至引入正面影响的策略。



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鉴于此,南京工业大学邵宗平教授和周嵬教授(共同通讯作者)演示了一种通过引入热膨胀补偿来实现阴极与其他电池组件之间完全热机械性能兼容的方法,展示了如何将高TEC钴基钙钛矿与适当选择的负热膨胀(NTE)材料如何利用它们的抵消行为来调节复合电极的整体TEC,或甚至是基于钴的高TEC的钙钛矿完全消除TEC与电解质的不匹配现象。同时,一些固态NTE材料也可以在一定的温度范围内加热时表现出收缩行为。具体来讲,作者选择Y2W3O12氧化物(YWO;从室温到1100℃ TEC约为-7×10-6 K-1)作为NTE候选材料与SrNb0.1Co0.9O3-δ (SNC)电极复合作为正热膨胀候选物(从室温到800℃TEC为19-24×10-6 K-1),以证明该TEC补偿策略。进一步利用反应性复合概念来确保这两相之间的强相互作用,以增强热膨胀补偿效果。具体而言,在SNC和YWO之间引发了有益的界面相反应,导致锶从钙钛矿的本体相中脱出,从而形成SrWO4(SWO)界面相。同时,这一过程也会在钙钛矿相中产生A位点阳离子缺陷(即形成的A位点缺失的Srx(Yy(Nb0.1Co0.9)1-y)O3-δ,SYNC


实验结果表明,所获得的SYNC复合材料(c-SYNC)电极显示出良好的SOFC电化学性能和出色的热机械稳定性。在600℃下,C-SYNC复合电极具有良好的ORR活性,ASR值为0.041Ωcm2;使用c-SYNC阴极的SOFC纽扣电池的峰值功率密度在750°C时达到1690 mW cm2降低的TEC,钙钛矿相优化和热机械稳定性的协同作用共同促进了这种SOFC复合阴极的出色电化学性能,并为未来的SOFC电极设计展示了一条新途径。相关研究成果“Thermal-expansion offset for high-performance fuel cell cathodes”为题发表在Nature上。



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核心内容

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图1.c-SYNC的性质和形成机理

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图2.c-SYNC的热膨胀和电化学性能

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图3.热循环及其机理示意图



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结论展望

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总而言之,作者提出了一种复合电极设计方法,该方法使用NTE提供的热膨胀补偿来大大提高长期电极的耐用性和ORR活性。作为此方法的实践证明,作者合成了由高TEC含钴钙钛矿SNC和NTE氧化物YWO形成的高活性和耐用的复合阴极系统。复合电极在800°C下煅烧可原位形成具有高ORR活性和小尺寸的均匀分布的c-SYNC颗粒,这也确保了强大的热机械可靠性。所述C-SYNC复合物(TEC为12.9×106 K-1)实现了与电解质紧密匹配的热膨胀,这与单相SNC电极材料的高TEC形成了明显的对比。总而言之,所提出的将YWO作为NTE组分与有限的相反应来抵消含钴钙钛矿阴极的高TEC的策略被证明是开发耐用,高性能SOFC的有前途和有效的方法。


【文献信息】

Yuan Zhang, Bin Chen, Daqin Guan, Meigui Xu, Ran Ran, Meng Ni, Wei Zhou, Ryan O’Hayre,Zongping Shao,Thermal-expansion offset for high-performance fuel cell cathodes, 2021, DOI:10.1038/s41586-021-03264-1

原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03264-1


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参考文献: