Nano-Micro Letters：可降解、高強度、能水洗的織物基摩擦電納米發電機

一、【導讀】

隨著社會的發展和人類對健康的重視，開發研究智能織物對人體運動狀態進行實時的監測及可穿戴電子設備供能具有重要的意義。織物基摩擦電納米發電機（TENG）可以很容易地將人體的機械能轉化為電能。由于具有重量輕、靈活性、透氣性和可洗性等優點，它已成為可穿戴商業電子產品的有效電源。基于織物的TENG由Maxwell位移電流驅動，通常以四種不同模式運行，即垂直接觸分離模式、橫向滑動模式、單電極模式和獨立模式。在結構和制造方法上，織物基TENG主要包括單纖維結構、2D織物成型結構、3D織物成型和多層織物堆疊結構。為了實現能夠滿足多樣化應用的復雜織物TENG，制備堅固的導電材料具有重要意義，這需要滿足良好的機械性能、環境安全性和穩定性，然而它們的共同優勢很少被人關注。

二、【成果掠影】

近日，華中科技大學楊光教授和北京納米能源所王中林院士、孫其君研究員聯合報告了一種超強機械強度、可生物降解和可清洗的纖維素基導電纖維線。該纖維線是利用細菌纖維素（BC）的三維網絡結構摻雜合成導電物質導電碳納米管（CNT）和聚吡咯（PPy）后通過拉伸和濕捻的方法制備得到。制備的纖維素基導電纖維線具有449 MPa的高拉伸強度、良好的導電性(~5.32 S/cm)和優異的穩定性。同時纖維線在纖維素酶的作用下108小時內可以完成降解。由纖維素基導電纖維線設計制備的織物基TENG的最大開路電壓為170 V，短路電流為0.8 μA，輸出功率為352 μW，能夠有效為電容器充電并驅動商業電子設備的運行。此外，織物基TENG可以附著在人體衣物上，作為自供電傳感器有效監測人體多狀態運動。研究成果以題為“Biodegradable, Super-Strong, and Conductive Cellulose Macrofibers for Fabric-Based Triboelectric Nanogenerator”發表在知名期刊Nano-Micro Letters上。

三、【核心創新點】

以可再生的BC為基材制備了可生物降解、超強機械強度及可水洗的導電纖維，并進一步利用該纖維構建了織物基TENG。該織物基TENG可以有效地捕獲機械動能驅動手表、計算器和溫度濕度計等商業電子設備的運行，并且作為自供電傳感器可以對人體的多種肢體動作進行實時的監測。

四、【論文掠影】

圖1、BC基導電纖維線的制備 ?2022 The Author

（a）純BC、BC/CNT及BC/CNT/PPy纖維線的制備示意圖。

（b-d）純BC、BC/CNT及BC/CNT/PPy纖維線的光學圖片。

圖二、BC基導電纖維的SEM圖像 ?2022 The Author

（a-c）BC、BC/CNT、BC/CNT/PPy纖維線的表面SEM圖。

（d, g）BC纖維線、（e, h）BC/CNT纖維、（f, i, l）BC/CNT/PPy纖維的截面SEM圖。

（j-k）BC/CNT/PPy纖維線纏結后和表面SEM圖。

圖三、理化性質表征 ?2022 The Author

（a, b, d）BC、BC/CNT、BC/CNT/PPy纖維的XPS圖譜。

（c）BC、BC/CNT、BC/CNT/PPy纖維、PPy和CNT的XRD圖案。

（e）BC、BC/CNT、BC/CNT/PPy纖維和PPy的FT-IR光譜。

（f）BC/CNT/PPy 粗纖維提拉2 kg重物圖片。

（g-i）BC、BC/CNT、BC/CNT/PPy和iBC/CNT/PPy纖維的應力-應變曲線、拉伸強度及楊氏模量、電導率。

（j）BC/CNT/PPy纖維作為導線點亮LED圖片。

（k）BC、BC/CNT和BC/CNT/PPy纖維的吸水率和失水率。

圖四、可生物降解性能 ?2022 The Author

（a-b）純BC纖維線和BC/CNT/PPy導電纖維線降解過程中纖維線的光學圖片。

（c-d）純BC纖維線和BC/CNT/PPy導電纖維線降解過程中纖維線的SEM圖像。

（e-f）純BC纖維線和BC/CNT/PPy導電纖維線在降解過程中的重量損失率及降解過程中纖維素酶溶液中總糖含量變化。

圖五、織物基TENG的制備及性能 ?2022 The Author

（a-b）織物基TENG結構示意圖及兩種工作模式。

（c-f）織物基TENG的短路電流、開路電壓、各種頻率下的轉移電荷和瞬時功率作為外部負載電阻的函數。

（g）織物基TENG在1 Hz頻率不同沖擊力下的輸出電壓。

（h）不同濕度下織物基TENG的輸出電壓。

（i）織物基TENG洗滌前后的輸出電壓。

（j）在1 Hz的接觸分離頻率下，織物基TENG在1000秒內的輸出電壓。

（k）織物基TENG在100次機械變形循環下的輸出電壓。

圖六、織物基TENG的應用研究 ?2022 The Author

（a）織物基TENG充電電容器和供電電子設備示意圖。

（b）機械加載時織物基TENG對商用電容器的充電曲線。

（c）手表供電時電容器電壓實時測試。

（d-f）TENG驅動手表、溫度濕度計和計算器的運行。

（g）測試織物基TENG作為自供電傳感器的照片和輸出電壓信號：（ⅰ）步行、（ⅰi）跑步、（iii）跳躍、（iv）舉臂、（v）手臂彎曲和（vi）抬腿。

五、【總結展望】

綜上，研究人員以可再生的BC為基材通過濕拉和濕擰的方法制備了可生物降解、超強機械強度及可水洗的導電纖維，其具有超強的機械強度（449 MPa）、優異的導電特性（~5.3 S/cm）和可生物降解特性。隨后進一步利用該纖維構建了織物基TENG，可以有效地捕獲機械動能驅動手表、計算器和溫度濕度計等商業電子設備的運行，并且作為自供電傳感器可以對人體的多種肢體動作進行實時的監測。研究表明了纖維素基纖維在設計能量收集和生物力學監測的環保織物TENG方面具有潛在的應用價值。

文獻鏈接：Biodegradable, Super-Strong, and Conductive Cellulose Macrofibers for Fabric-Based Triboelectric Nanogenerator (Nano-Micro Letters 2022, 14, 115)

本文由大兵哥供稿