柔性電子屬于前沿新興領域，未來市場規模巨大，是最有望產生顛覆性技術和引領新一代技術革命的領域之一。柔性電子已成為世界多國和跨國企業競相發展的前沿技術，為了在未來柔性電子研究和產業發展中搶占先機，美、日、韓、歐盟等國家和地區都相繼制定柔性電子發展戰略并且投入大量科研經費，我國也已把柔性電子列入國家“十四五”規劃重點關注前沿領域之一，柔性電子學目前已成為我國一級交叉學科。柔性電子從產業層面可帶動材料、化工、半導體、電子、信息、顯示面板等產業，從學科層面可融合材料、化學、物理、生物、電子、信息、醫學等學科。中山大學材料科學與工程學院教授、博士生導師衣芳主要圍繞柔性能源和柔性傳感開展研究工作，取得了豐碩的研究成果。現已發表通訊作者／第一作者（含共同）SCI 論文包括 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 篇入選 ESI 高引文章，3篇被引超過200次，10篇被引超過100次。以第一發明人被授權國家發明專利 7 項；著有第一作者 Wiley Publishing Group 著作的一章。主持科研項目主要包括國家自然科學基金面上項目1項和青年項目1項、廣東省自然科學基金杰出青年項目、廣東省自然科學基金面上項目1項和區域聯合基金青年項目1項等。

專注不渝 砥礪前行

衣芳本科畢業于中南大學粉末冶金研究院材料化學專業，之后保送到北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室張躍院士課題組，博士期間赴美國佐治亞理工學院材料科學與工程專業王中林院士課題組做聯合培養博士，博士畢業后在北京大學化學與分子工程學院劉忠范院士課題組做博士后。

博士后期間，衣芳發現了在太陽光照射下由于電極材料光熱效應而超級電容器電容顯著提高的現象，提出利用電極材料光熱效應提升低溫下儲能器件電化學性能的概念，以三維多級石墨烯材料為電極的雙電層型和贗電容型超級電容器為典例從實驗和理論上系統地研究和闡釋了這一現象的機理。這項工作為解決儲能器件在低溫環境中性能下降問題提供了一種可能途徑，也有望用于研發新概念傳感器如觸發器、光學和溫度傳感器等。

在高性能柔性超級電容器電極材料及器件研究中，衣芳發展了一種同時具有高比電容、高倍率和高循環性能的新型柔性自支撐超級電容器電極材料，并且設計了匹配的氧化還原電解質大大提升性能。

柔性超級電容器有循環壽命長等優點，是實現柔性電子產品可持續能源供給的關鍵部件之一，二維碳化鈦因其具有的優異特殊性質而成為極具吸引力的超級電容器電極材料，但卻面臨二維片層團聚和易氧化等棘手問題，對其電化學性能造成極大損害。為此，衣芳團隊開發了一種節能集成策略來改進電極結構、改性表面化學和改進制備工藝，該策略結合并且優化了三種都涉及煅燒過程的方法：原位生長聚合物碳化法、堿處理法和模板犧牲法，在降低碳化溫度的同時增強了離子可及性、增加了電化學活性位點并提高了化學穩定性，實現了同時提高二維碳化鈦電容（獲得當時已報道二維碳化鈦及二維碳化鈦／碳復合型超級電容器電極最高質量比電容）、倍率性能和循環穩定性，并且電極具有良好的柔性自支撐性。

進一步地根據二維碳化鈦電極材料特性，衣芳團隊首次利用氧化還原電位在二維碳化鈦穩定電勢窗口內的氧化還原添加劑來提高二維碳化鈦基超級電容器電極及器件的電化學性能。

在所開發的策略中，在硫酸支撐電解質中篩選出硫酸銅和硫酸氧礬作為混合氧化還原添加劑，并通過系統的實驗表征和理論驗證證明，銅和釩離子可以與二維碳化鈦表面的＝O官能團結合，并分別以二價／一價銅離子和三價／二價礬離子的形式進行法拉第反應。通過優化設計得到的二維碳化鈦電極，其氧化還原活性位點的增加、層間距離的增大、比表面積的增大和孔體積的增大，顯著地促進了所設計的氧化還原電解質策略。

所開發的策略充分利用了二維碳化鈦表面性質，優化后的二維碳化鈦電極在所設計的氧化還原電解質中展現的質量比電容為目前報道的二維碳化鈦和二維碳化鈦／碳基超級電容器電極的最高值，同時還具有良好的倍率性能和相比于純二維碳化鈦電極更高的循環穩定性。所制備的超級電容器具有高的功率密度和能量密度，并且具有高的循環穩定性以及明顯抑制的自放電性能。所提出的氧化還原電解質策略也有效地提高了凝膠電解質體系二維碳化鈦基柔性超級電容器的電化學性能。

這些研究成果為開發高性能柔性電化學儲能設備以及柔性能源系統提供了科學基礎和更多可能性。

勇挑重擔 積極創新

發展柔性能量收集器件及其系統是解決柔性電子產品可持續能源供給問題的一個重要途徑，而如何使能量收集器件具有高度形狀自適應性和可拉伸性則成為一大挑戰。

2016年，衣芳等人首次明確闡釋摩擦納米發電機高內部阻抗使其電信號輸出對電極電阻不敏感，提出以導電流體，如導電溶液、凝膠、液態金屬等，作為摩擦納米發電機電極的概念，此概念及所闡述的基本工作機制為摩擦納米發電機用于發電或自驅動傳感提供了重要指導。

以流動性大的導電流體作為電極的器件在大面積制備時會面臨兩個棘手問題，一是液體由于表面張力作用而傾向于呈球形，所以在制備大面積器件時器件厚度很難做薄；二是流體作為電極會使得器件結構不穩固容易發生流體電極的泄漏。

為解決這些問題，衣芳等人從細胞結構中汲取靈感，將大面積導電流體分離成互相聯通的微小單元結構，使得整個器件更加輕薄和牢固，并且與具有流體電解質的超級電容器結合制備了一體化柔性可拉伸自充電能源系統，實現對可穿戴電子產品的可持續驅動。

除此之外，衣芳團隊針對已報道單電極摩擦納米發電機理論模擬中默認把參比電極放置于主電極正下方所帶來的問題而系統地研究了單電極摩擦納米發電機參比電極對于器件電輸出性能的影響并且詳細闡述了優化策略。針對可穿戴摩擦納米發電機和生物燃料電池電輸出不匹配等問題設計了匹配的能量管理電路大大提升了復合式能量收集器件的電輸出性能。

在柔性傳感器的研究中，衣芳團隊發展了一種高性能應變不敏感溫度傳感纖維：在石墨烯表面原位生長納米鉬酸鐵然后濕法紡絲成微納多孔溫度傳感纖維，該纖維在設計制備時通過利用石墨烯高熱導率和良好柔性、高比表面積的微納多孔結構與環境充分交換熱量、納米鉬酸鐵原位生長于石墨烯表面使靈敏度大幅提升等特性而獲得已報道纖維／織物型柔性溫度傳感器最高靈敏度和最快響應回復時間，并且因其溫度檢測為所制材料本征特性決定所以靈敏度在多種應變下保持穩定。

除了溫度，壓力也是最常見的檢測信號之一，衣芳團隊發展了一種原位生長氣隙法通過加熱使得浸潤在電極中的水分蒸發而生成氣隙，獲得比傳統有墊片式結構應變均勻性更高和檢測靈敏度更高的無墊片摩擦式壓力傳感器。

柔性傳感器在實際應用中常常同時接受溫度和壓力這兩種信號刺激，因此必須能夠在同時接受這些信號刺激時準確區分所檢測的不同信號。為進一步解決柔性傳感器面臨的多信號互相干擾問題，衣芳團隊首次利用摩擦納米發電機內部阻抗大而對其電極電阻不敏感的工作特點實現同時檢測并區分溫度和壓力，所制備的智能織物和電子皮膚通過其電極電阻隨溫度變化而變化來檢測溫度而整個器件隨壓力不同而發電信號不同來檢測壓力，既可以用于人工觸覺傳感也可以用于健康監控，因其能夠同時區分檢測溫度和壓力兩種信號而可以提供更加豐富和準確的觸覺和人體健康信息。

未來，衣芳將基于前期所積累的研究工作基礎，繼續從事柔性電子材料及器件的研究，以應用為導向，以需求為牽引，以解決實際科學問題為目的，致力于推動柔性電子的發展，為服務于國家建設和區域經濟發展而貢獻力量。（文／王超）