柔性电子属于前沿新兴领域，未来市场规模巨大，是最有望产生颠覆性技术和引领新一代技术革命的领域之一。柔性电子已成为世界多国和跨国企业竞相发展的前沿技术，为了在未来柔性电子研究和产业发展中抢占先机，美、日、韩、欧盟等国家和地区都相继制定柔性电子发展战略并且投入大量科研经费，我国也已把柔性电子列入国家“十四五”规划重点关注前沿领域之一，柔性电子学目前已成为我国一级交叉学科。柔性电子从产业层面可带动材料、化工、半导体、电子、信息、显示面板等产业，从学科层面可融合材料、化学、物理、生物、电子、信息、医学等学科。中山大学材料科学与工程学院教授、博士生导师衣芳主要围绕柔性能源和柔性传感开展研究工作，取得了丰硕的研究成果。现已发表通讯作者／第一作者（含共同）SCI 论文包括 Science Advances， Energy ＆ Environmental Science， Chemical Society Reviews， Nature Communications， Advanced Energy Materials， Nano Energy， ACS Nano， Advanced Functional Materials， Advanced Science等，其中有 5 篇入选 ESI 高引文章，3篇被引超过200次，10篇被引超过100次。以第一发明人被授权国家发明专利 7 项；著有第一作者 Wiley Publishing Group 著作的一章。主持科研项目主要包括国家自然科学基金面上项目1项和青年项目1项、广东省自然科学基金杰出青年项目、广东省自然科学基金面上项目1项和区域联合基金青年项目1项等。
专注不渝 砥砺前行
衣芳本科毕业于中南大学粉末冶金研究院材料化学专业，之后保送到北京科技大学新金属材料国家重点实验室张跃院士课题组，博士期间赴美国佐治亚理工学院材料科学与工程专业王中林院士课题组做联合培养博士，博士毕业后在北京大学化学与分子工程学院刘忠范院士课题组做博士后。
博士后期间，衣芳发现了在太阳光照射下由于电极材料光热效应而超级电容器电容显著提高的现象，提出利用电极材料光热效应提升低温下储能器件电化学性能的概念，以三维多级石墨烯材料为电极的双电层型和赝电容型超级电容器为典例从实验和理论上系统地研究和阐释了这一现象的机理。这项工作为解决储能器件在低温环境中性能下降问题提供了一种可能途径，也有望用于研发新概念传感器如触发器、光学和温度传感器等。
在高性能柔性超级电容器电极材料及器件研究中，衣芳发展了一种同时具有高比电容、高倍率和高循环性能的新型柔性自支撑超级电容器电极材料，并且设计了匹配的氧化还原电解质大大提升性能。
柔性超级电容器有循环寿命长等优点，是实现柔性电子产品可持续能源供给的关键部件之一，二维碳化钛因其具有的优异特殊性质而成为极具吸引力的超级电容器电极材料，但却面临二维片层团聚和易氧化等棘手问题，对其电化学性能造成极大损害。为此，衣芳团队开发了一种节能集成策略来改进电极结构、改性表面化学和改进制备工艺，该策略结合并且优化了三种都涉及煅烧过程的方法：原位生长聚合物碳化法、碱处理法和模板牺牲法，在降低碳化温度的同时增强了离子可及性、增加了电化学活性位点并提高了化学稳定性，实现了同时提高二维碳化钛电容（获得当时已报道二维碳化钛及二维碳化钛／碳复合型超级电容器电极最高质量比电容）、倍率性能和循环稳定性，并且电极具有良好的柔性自支撑性。
进一步地根据二维碳化钛电极材料特性，衣芳团队首次利用氧化还原电位在二维碳化钛稳定电势窗口内的氧化还原添加剂来提高二维碳化钛基超级电容器电极及器件的电化学性能。
在所开发的策略中，在硫酸支撑电解质中筛选出硫酸铜和硫酸氧矾作为混合氧化还原添加剂，并通过系统的实验表征和理论验证证明，铜和钒离子可以与二维碳化钛表面的＝O官能团结合，并分别以二价／一价铜离子和三价／二价矾离子的形式进行法拉第反应。通过优化设计得到的二维碳化钛电极，其氧化还原活性位点的增加、层间距离的增大、比表面积的增大和孔体积的增大，显著地促进了所设计的氧化还原电解质策略。
所开发的策略充分利用了二维碳化钛表面性质，优化后的二维碳化钛电极在所设计的氧化还原电解质中展现的质量比电容为目前报道的二维碳化钛和二维碳化钛／碳基超级电容器电极的最高值，同时还具有良好的倍率性能和相比于纯二维碳化钛电极更高的循环稳定性。所制备的超级电容器具有高的功率密度和能量密度，并且具有高的循环稳定性以及明显抑制的自放电性能。所提出的氧化还原电解质策略也有效地提高了凝胶电解质体系二维碳化钛基柔性超级电容器的电化学性能。
这些研究成果为开发高性能柔性电化学储能设备以及柔性能源系统提供了科学基础和更多可能性。
勇挑重担 积极创新
发展柔性能量收集器件及其系统是解决柔性电子产品可持续能源供给问题的一个重要途径，而如何使能量收集器件具有高度形状自适应性和可拉伸性则成为一大挑战。
2016年，衣芳等人首次明确阐释摩擦纳米发电机高内部阻抗使其电信号输出对电极电阻不敏感，提出以导电流体，如导电溶液、凝胶、液态金属等，作为摩擦纳米发电机电极的概念，此概念及所阐述的基本工作机制为摩擦纳米发电机用于发电或自驱动传感提供了重要指导。
以流动性大的导电流体作为电极的器件在大面积制备时会面临两个棘手问题，一是液体由于表面张力作用而倾向于呈球形，所以在制备大面积器件时器件厚度很难做薄；二是流体作为电极会使得器件结构不稳固容易发生流体电极的泄漏。
为解决这些问题，衣芳等人从细胞结构中汲取灵感，将大面积导电流体分离成互相联通的微小单元结构，使得整个器件更加轻薄和牢固，并且与具有流体电解质的超级电容器结合制备了一体化柔性可拉伸自充电能源系统，实现对可穿戴电子产品的可持续驱动。
除此之外，衣芳团队针对已报道单电极摩擦纳米发电机理论模拟中默认把参比电极放置于主电极正下方所带来的问题而系统地研究了单电极摩擦纳米发电机参比电极对于器件电输出性能的影响并且详细阐述了优化策略。针对可穿戴摩擦纳米发电机和生物燃料电池电输出不匹配等问题设计了匹配的能量管理电路大大提升了复合式能量收集器件的电输出性能。
在柔性传感器的研究中，衣芳团队发展了一种高性能应变不敏感温度传感纤维：在石墨烯表面原位生长纳米钼酸铁然后湿法纺丝成微纳多孔温度传感纤维，该纤维在设计制备时通过利用石墨烯高热导率和良好柔性、高比表面积的微纳多孔结构与环境充分交换热量、纳米钼酸铁原位生长于石墨烯表面使灵敏度大幅提升等特性而获得已报道纤维／织物型柔性温度传感器最高灵敏度和最快响应回复时间，并且因其温度检测为所制材料本征特性决定所以灵敏度在多种应变下保持稳定。
除了温度，压力也是最常见的检测信号之一，衣芳团队发展了一种原位生长气隙法通过加热使得浸润在电极中的水分蒸发而生成气隙，获得比传统有垫片式结构应变均匀性更高和检测灵敏度更高的无垫片摩擦式压力传感器。
柔性传感器在实际应用中常常同时接受温度和压力这两种信号刺激，因此必须能够在同时接受这些信号刺激时准确区分所检测的不同信号。为进一步解决柔性传感器面临的多信号互相干扰问题，衣芳团队首次利用摩擦纳米发电机内部阻抗大而对其电极电阻不敏感的工作特点实现同时检测并区分温度和压力，所制备的智能织物和电子皮肤通过其电极电阻随温度变化而变化来检测温度而整个器件随压力不同而发电信号不同来检测压力，既可以用于人工触觉传感也可以用于健康监控，因其能够同时区分检测温度和压力两种信号而可以提供更加丰富和准确的触觉和人体健康信息。
未来，衣芳将基于前期所积累的研究工作基础，继续从事柔性电子材料及器件的研究，以应用为导向，以需求为牵引，以解决实际科学问题为目的，致力于推动柔性电子的发展，为服务于国家建设和区域经济发展而贡献力量。（文／王超）
