北京科技大学Adv. Funct. Mater：电磁屏蔽复合纳米发电机助力人体健康监测和保护

【引言】

随着电子器件的发展和大众化，人类将面对日益增加的能源危机和电磁辐射的污染。为实现电子器件的可穿戴和便携，传统的电池暴露了许多问题。可以从我们生活环境收集能量的纳米发电机可以解决电子器件的供能问题。尤其，成本低廉的摩擦纳米发电机（TENG），在低频和无规律的能量收集方面展现了巨大的优势。然而，TENG输出的功率不足以驱动大部分电子器件。因此，将TENG和其他纳米发电机集成的复合纳米发电机（HNGs）可以解决低输出的问题。作为HNGs中重要的一部分热释电-压电纳米发电机（PPENG）可以收集热能和环境中的机械能。与此同时，HNG还可以作为自驱动监测器。另一方面，电磁辐射对人类健康有着重要的威胁。然而，大多数传统的屏蔽电磁辐射设备在GHz范围不能很好的工作。但发明一种抗电磁辐射的可穿戴、便携式电子设备可以解决该问题。为此，研究人员发明了一种可拉伸、便携且可穿戴的电磁屏蔽HNG。

【成果简介】

近日，北京科技大学材料科学与工程学院张跃教授和廖庆亮教授（共同通讯作者）研究小组发明了一种可拉伸的电磁屏蔽复合纳米发电机（ES-HNG）。基于摩擦起电、压电和热释电效应的纳米发电机不仅可以收集环境中的热能和机械能而且还可以监测和保护人体健康。通过拍打由ES-HNG制成的键盘膜，可以在200s将电容充至3V；并且可以屏蔽99.9978%的电磁波(0~15GHz)。该研究成果以“Electromagnetic Shielding Hybrid Nanogenerator for Health Monitoring and Protection”为题发表在Adv. Funct. Mater上。

【图文导读】

图1. ES-HNG的结构示意图和机械性能

（a）ES-HNG的结构示意图，插图是TENG的图片；

（b）导电电磁辐射纺织品的SEM；

（c）在不同拉伸应变下的ES-TENG，比例尺为3cm；

（d、e）ES-TENG在不同拉伸应变下的输出电流和转移电荷。

图2. ES-HNG的电学性能表征

（a）  PPENG部分在受力下，输出电流和相应的温度变化；

（b）  TENG部分在受力下，输出电流和相应的温度变化；

（c）  ES-HNG在受力下，输出电流和相应的温度变化；

（d）  在施加不同的力下，ES-HNG的输出电流和开路电压；

（e） 在不同频率下，ES-HNG的输出电流；

（f）在弯曲和未弯曲状态下，ES-HNG的输出电流，插图是相应的发电机照片。

图3. ES-HNG作为键盘膜的输出性能

（a）  手指触摸所制键盘膜时的温度变化；

（b）  键盘膜TENG部分的输出电流；

（c）  整个ES-HNG键盘膜的输出电流；

（d）  键盘膜基电路系统的电路图；

（e）  键盘膜给电容充电曲线，插图是充电电容点亮LED；

（f）在不同频率下，ES-HNG基键盘膜给电容充电的开路电压曲线。

图4. ES-HNG在电磁屏蔽方面的应用

（a）  ES-HNG基键盘膜在示意图；

（b）  ES-HNG基键盘膜的电磁屏蔽机理；

（c、d）  在使用和未使用ES-HNG基键盘膜时的电磁辐射。

图5. ES-HNG在健康检测和保护方面的应用

（a）  ES-HNG使用不同网孔数量AEMF的电磁屏蔽效应；

（b）  ES-HNG使用不同网孔数量AEMF的平均SE和应变变化；

电流对腹式呼吸的响应：（c）频率的影响，(d) 呼吸程度的影响；插图是ES-HNG腹部呼气、吸气时的照片。

【小结】

研究人员将TENG和PPENG成功集成为ES-TENG。由ES-TENG制成的键盘膜可以收集机械能和热能；相比TENG，该纳米发电机的输出提高了3倍。该键盘膜可以成功屏蔽电脑的电磁辐射，保护长期暴露在电脑电磁辐射下的人。同时，该发电机还可以作为腹部运动传感器，来检测人体的健康状态。这为未来能量收集和人体健康监测提供了很好的途径。

文献链接：Electromagnetic Shielding Hybrid Nanogenerator for Health Monitoring and Protection（Adv. Funct. Mater，2017，DOI: 10.1002/adfm.201703801）

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