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西安科技大学成果登上《CEJ》:可穿在身上的“发电机”

发布日期:2021-05-21     作者:     浏览数:    分享到:

近日,西安科技大学化学与化工学院屈孟男教授课题组的创新研究出的“具有机械能收集和智能传感性能的可拉伸可穿戴纺织物基摩擦纳米发电机”登上化工领域顶级期刊《Chemical Engineering Journal》(化学工程期刊)。该项研究为可穿戴发电设备提供了解决方案,被称为可穿在身上的‘发电机’。

近年来不断加剧的能源危机8-以及个人电子器件及物联网的普及使得发展可再生能源技术显得尤为重要。基于接触起电与静电感应耦合效应的摩擦纳米发电机(TENG)已被广泛用于将环境机械能转换为电能的有效技术。随着TENG在各个不同领域的发展(包括环境监测、医疗健康、人体动能收集),其工作环境趋于复杂化和多样化。其中,空气湿度、酸碱环境对TENG的输出性能具有很大负面影响。特别是对于单电极模式的纺织品基TENG (t-TENG),往往需要直接与外部环境或人体皮肤接触,其输出性能很容易受到外部湿度或者汗液的影响。因此,开发一种具有耐湿、防汗且可拉伸的t-TENG仍然是一个巨大挑战。

该研究是西科大屈孟男教授课题组围绕矿物基超浸润领域的系列创新研究的新成果。由屈孟男所带领的仿生功能界面材料研究团队完成,其中实验部分主要由该校化学与化工学院2019级博士研究生王嘉鑫(第一作者)和马利利完成,论文的通讯作者为屈孟男教授和何金梅副教授。

该项研究中,仿生超浸润结构的构建极大的抑制了高湿度环境下t-TENG表面水膜的形成,进而提升了器件的稳定性。相比于传统裸露式t-TENG,该器件在80%的湿度和0.9 g 0.9 wt% NaCl水雾氛围下,仍保持高的输出性能(大于100 V)。此外,为了验证柔性t-TENG将人体活动产生的外部机械能转化为电能的实用性,进行了手工拍击试验。实验表明,该柔性t-TENG (4×4平方厘米)无需额外的储能设备,通过连续的人手拍击运动直接为360个商用白色发光二极管供电。

在进一步的实际应用中,该装置结合微型电子模块,设计了一种便携式、可穿戴触觉控制器,用于各种人机界面(HMI)场景,如灯具、电子徽章、计算机应用程序、加湿器的控制等。

据了解,这项研究工作不仅为开发具有环境适应性的可穿戴摩擦纳米发电机提供了一个可行的解决方案,而且在许多领域显示了广阔的应用前景,包括可穿戴电源、便携式计算机外设、智能机器人和矿山安全检测等。

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