郭益平课题组在柔性压电传感器及压电催化的研究中取得新进展

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我国抗击“新型冠状肺炎”的战斗已经取得了重要的阶段性胜利。口罩、呼吸机、超声医疗设备等这些医疗物资的生产以及供应背后，有无数的新材料在背后发挥着各自的作用。被称为“陶瓷界的抗疫多面手”的压电陶瓷材料，在这场没有硝烟的战斗中，就起到了至关重要的作用。
       压电材料具有固有的机-电耦合作用，可以在电场的作用下产生机械变形，也可以在机械变形的作用下在材料两端面产生电荷。压电材料被广泛应用于传感器、致动器及换能器。目前使用的压电材料都需要高的居里温度以保持其性能的温度稳定性，因此低居里温度压电材料的应用研究一直被大家所忽视。
       近日，上海交通大学材料科学与工程学院教授郭益平课题组发现，由于低居里温度压电材料在室温下自发极化偏转的能垒很小，因此在非常小的作用下即可使柔性或纳米压电材料的极化发生明显偏转，表明其在能源与环境，柔性可穿戴器件及生命科学等领域都具有重要的应用前景。他们以低居里温度压电材料BaTi1-xSnxO3（BTS）为研究对象，分别在压电催化及柔性压电传感的研究中获得了重要的进展。

图一 低居里温度材料BTS用于压电纳米发电机和压电催化领域

        自然界的振动及温度起伏无处不在，如果能够利用自然界的振动及温度起伏即能实现污染物的降解或产氢，无疑对建设绿水青山的生态环境及能源的可持续发展具有重要的意义。该研究团队合成出了具有四相（立方，正交，三方及四方）共存的BTS纳米晶，原位压电力显微镜测试表明其具有优越的压电性能，其在催化降解染料以及水分解产氢领域中表现优异。在35℃的实验温度下，可以分别在15和60min内实现对罗丹明（RhB）和甲基橙（MO）的降解；25℃下BTS纳米晶的压电催化产氢效率达到401.1微摩尔每克每小时。相关研究成果已被国际著名期刊《Nano Energy》以“Highly-efficient piezocatalytic performance of nanocrystalline BaTi0.89Sn0.11O3 catalyst with Tc near room temperature”为题发表，该研究工作由上海交通大学为第一单位完成, 2019级硕士研究生赵崎和2017级直博生肖鸿源为论文的共同第一作者，郭益平为论文的通讯作者。

图二 (a) (d) T = 25℃ (b) (e) T = 35℃和(c) (f) T = 45℃下RhB和MO降解的相对浓度变化。

       随着可穿戴设备、智能机器人和物联网的快速发展，柔性传感器件的应用显得愈发重要。压电纳米发电机作为自供电传感器的一种，在人工智能传感器网络和植入性器件中具有重要的应用前景。该团队通过在柔性电子级玻璃纤维布上生长连续、结晶良好的BTS薄膜，利用有机PVDF薄膜封装，制备了超薄（~110微米）、超轻（~0.5g）的柔性压电传感器。压电传感器不仅能够随意弯曲折叠，而且其对于微小的外力作用十分敏感，能够探测雨滴下落的重力势能。当外力范围在1~9N时，其电压灵敏度高达1.23V/N。同时该传感器还可以监测人体各个部位的运动，如手指的弯曲幅度、模拟人体呼吸时腹部的起伏以及头部的偏转运动，表明该种柔性压电传感器在人体健康和疲劳监测等方面具有重要的应用前景。相关研究研究成果已被国际著名期刊 《Nano Micro Letters》以“Superflexible and lead-free piezoelectric nanogenerator as a highly sensitive self-powered sensor for human motion monitoring”为题接受发表。2019级硕士研究生余迪为论文的第一作者，郭益平教授为该论文的通讯作者。

图三：(a), (b) 传感器监测手指弯曲幅度和频率; (c) 传感器监测雨滴下落的重力势能; (d) 传感器监测气球表面的起伏运动; (e), (f)传感器监测头部和颈部运动

        郭益平教授课题组长期致力于铁电压电材料的基础和应用研究，承担了多项国家，地方及企业的科研项目。相关工作得到了国家自然科学基金重点项目（52032012）和上海市科委重点基础研究项目（No.20JC1415000）的资助。


       文章来源：上海交通大学
       郭益平，上海交通大学教授。1995年获西北工业大学材料科学与工程系学士学位，1998获西北工业大学应用物理系硕士学位。 1998-2000年在山东省硅酸盐研究所工作， 2000-2003年在中科院上海硅酸盐研究所攻读博士学位，2003年4月－2004年12月在日本名古屋工业大学电子陶瓷研究室工作，任COE项目博士后研究员。2005年1月－2006年3月在日本产业技术综合研究所中部中心工作，AIST特别研究员。2006年4月－2007年3月在日本丰桥技术科学大学电子工程系集成电路研究室工作，任产学官连携研究员。2007年4月起，任上海交通大学副教授。其中2007年12月至2007年3月期间在日本丰桥技术科学大学任访问副教授，2009年6月至2010年8月期间在澳大利亚国立大学任澳大利亚研究理事会（ARC)项目博士后。2015年1月起，任上海交通大学研究员，博士生导师。