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《Chemical Engineering Journal》报道我院可用于生物机械能稳定收集的纺织品摩擦纳米发电机

发布日期:2021-12-15     作者:     浏览数:    分享到:

近日, 化学工程领域刊物Chemical Engineering Journal》以Superwettable hybrid dielectric based multimodal triboelectric nanogenerator with superior durability and efficiency for biomechanical energy and hydropower harvesting为题,报道了我院在可用于生物机械能稳定收集的摩擦纳米发电机

摩擦纳米发电机(TENG)是一种很有前途的可再生能源转换装置,用于收集自然界中的各种低频机械运动,如人体运动和雨滴。然而,大多数现有的TENG仍然面临着机械稳定性差、环境适应性低和工作模式单一等挑战。作为负介电层之一,聚二甲基硅氧烷(PDMS)具有柔韧性、透明性、疏水性和生物相容性等优点。然而,纯PDMS的摩擦电负性并不令人满意。为了弥补这一缺陷,人们开发了各种微结构来提高PDMS的比表面积和压缩性,包括表面图案化处理或构造内部孔结构。一方面,PDMS表面图案化处理可以赋予TENG优异的防污和耐湿特性,极大地扩展其应用场景;另一方面,在PDMS弹性体中构造微/纳米孔结构也是获得高比表面积和高压缩率的有效途径。但很少报道将这两种策略结合起来制造高性能、耐用和可扩展的TENG。除了结构构造外,介电层的表面润湿性也是影响TENGs输出性能的重要因素。通过表面疏水化处理,可以巧妙地克服水分的负面影响,同时实现出色的电输出增强效果。然而,在日常生活中,含水条件下的机械运动是不可避免的。因此,除了耐湿性外,TENG在高润湿表面上的工作性能也值得研究。由于TENG的耐湿性不能与耐水能力直接相关,因此仍有必要为TENG器件开发新的表面改性方法,以克服潮湿环境或含水界面的负面影响,进一步促进其通用性并适用于各种复杂环境。

我院屈孟男教授和何金梅副教授研究团队通过简单旋涂和喷涂工艺,并结合磁场辅助,制备了一种新型、高性能超润湿混合电介质基TENG (HD-TENG),实现了各种人体机械能 (例如,步行、手臂摆动和拍手) 和水能 (雨滴和波浪) 的同时收集。值得注意的是,该混合电介质层 (HDL) 同时具有内部微/纳米孔结构和表层微纤毛结构,这极大的提高了其比表面积、可压缩性以及防水特性。通过进一步的结构优化,HD-TENG展现出高柔韧性 (包括各种卷曲、弯曲和扭曲等测试)、优异的耐洗性(4 h水洗)和防潮性(>80% RH)。在单电极模式下,HD-TENG (5 × 5 cm2) 的峰值功率密度可达为 3.2 W m-2。配合电源管理电路可长时间驱动商用低功耗电子设备 (例如计算器和电子表) 工作。此外,在HD-TENG的上表面加载外部电极(Al Cu 电极)以消除界面屏蔽效应。这种升级的配置使得外部电极、内部ITO电极和HDL之间的体效应取代了传统的液-固界面效应,从而促进了电荷转移。结果表明,基于体效应的 HD-TENG 可用于收集自然环境中的水滴能和波浪能,并具有优异的输出效率(最大功率密度分别为215 mW m-21.3 W m-2)。该研究为开发可扩展且柔性的多模式TENG并用于自供电的人类活动监测和蓝色能量收集铺平了道路。

该论文实验部分主要由博士研究生王嘉鑫(第一作者)和博士研究生马利利完成,通讯作者为屈孟男教授和何金梅副教授。西安科技大学为完成单位。该项研究得到了国家自然科学基金(51904228),陕西省高等学校青年创新团队(21JP068),陕西省科技厅(2019JM-371),中国博士后科学基金(2019M663938XB),西安科技大学优秀青年科学基金(2019YQ2-09),西安科技大学胡杨学者计划的资助支持。


论文链接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.134002


▲图1 多模式HD-TENG的制造工艺和基本性能。(a) HDL薄膜的制造示意图。(b) HD-TENG的详细结构。(c) HD-TENG的横截面SEM图像。(d) GO/PDMS层的SEM图像。(e) HDL薄膜表面的SEM图像,其显示了表面的分层形态。(f) 制备的HDL薄膜的照片,其表面对各种水滴表现出优异的超疏水性。(g) 分别使用和不使用成孔剂GO制备的HD-TENG 的光学图像。(h) HD-TENG的三种工作模式示意图及应用场景。

2 HD-TENG在单电极模式下的耐久性和电输出特性。(a) HD-TENG0.52.5 Hz的不同工作频率下的Voc(b) HD-TENG的输出电压作为施加压力的函数。(c) GO/PDMS薄膜和HDL薄膜分别置于高湿度环境(~80% RH)时的输出信号恢复过程曲线。(d) HD-TENG的稳定性测量。(e) HD-TENG分别在卷曲、弯曲、扭曲和洗涤下的光学图像。(f) 剧烈水洗涤4小时后HD-TENG仍可点亮LED的照片。(g) HD-TENG在经受各种极端变形和严重洗涤后的Voc(h) HD-TENGVoc与不同材料的相对接触分离运动。


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