王中林院士AFM一大力作：用于自供电医疗产品的多级纳米结构纤维素纤维基摩擦纳米发电机

【引言】

纤维素纳米纤维来源于自然资源，具有一维纤维结构，已经被构筑成一系列二维和三维的纳米结构用于功能性的应用。纤维素纳米纤维在电子器件中具有可观的优点，因为它不仅储量极大、具有生物相容性，而且质轻和具有生物降解性、出色的机械性能和低的热膨胀系数。因此，使用纤维素纳米纤维作为基本成分来开发一系列纳米结构用于低成本的、对环境友好的、柔性的功能性电子器件，已成为下一代可穿戴电子器件的有吸引力的选择。摩擦纳米发电机是新发明的技术，以摩擦起电和静电感应为基础。由于它的能量转化效率高、成本效益高、具有普适性和对环境友好，能够通过将机械能，尤其是低频率的身体运动的能量，有效转化成电能来持续地给电子器件供电。然而，目前还没有摩擦纳米发电机能够同时实现高效去除PM2.5，抗菌和人体呼吸监测。

【成果简介】

近日，美国乔治亚理工学院王中林院士、我国四川大学卢灿辉教授（共同通讯作者）和何旭博士（第一作者）、邹海洋博士（共同第一作者）在著名期刊Advanced   Functional  Materials上发表了题为A Hierarchically Nanostructured Cellulose Fiber-Based Triboelectric Nanogenerator for Self-Powered Healthcare Products的文章。本文采用了环保、通用、高效的方法，通过构造多级纳米结构和利用摩擦纳米发电机独特的发电模式，制备了具有去除PM2.5、抗菌和自供电监测人体呼吸的纤维素纤维基摩擦纳米发电机（cf-TENG），阐明了它对改善空气质量和呼吸监测的优异性能。上述成果表明了作者制备的多级纳米结构cf-TENG在用于医疗自供电可穿戴电子器件中有巨大的潜力。

【图文导读】

图1.cf-TENG的示意图、微观结构和照片

a.cf-TENG的示意图和纤维素/银多级纳米结构的制备流程图

b.纤维素微纤维的微观结构

c.纤维素微纤维/纤维素纳米纤维/银微观结构

d.一般状态下的cf-TENG

e.弯曲状态下的cf-TENG

图2.cf-TENG的工作原理

a.全氟乙烯丙烯共聚物层和纤维素纤维层接触时cf-TENG的电位分布

b.全氟乙烯丙烯共聚物层和纤维素纤维层分开时cf-TENG的电位分布

c.全氟乙烯丙烯共聚物层和纤维素纤维层分开时cf-TENG的电荷分布

d.全氟乙烯丙烯共聚物层和纤维素纤维层接触和分开的过程的cf-TENG的短路电流

图3.cf-TENG的电学输出性能

a-c.不同工作频率下的开路电压曲线、短路电流曲线和短路电荷转移曲线

d-f.不同工作位移下的开路电压曲线、短路电流曲线和短路电荷转移曲线

图4.cf-TENG的呼吸监测和去除PM2.5

a.cf-TENG的呼吸监测测试系统的具体组成部分和电信号的显示

b.正常呼吸和跑步后呼吸的电信号

c.上图：空气流道的照片    下图：cf-TENG和普通的棉布口罩过滤PM2.5的示意图

d.cf-TENG和普通的棉布口罩去除PM2.5的对比

图5.纤维素微纤维/纤维素纳米纤维/银纳米结构薄膜的抗菌活性

a.PBS缓冲液和纤维素微纤维/纤维素纳米纤维薄膜对大肠杆菌的杀菌效果

b.PBS缓冲液和纤维素微纤维/纤维素纳米纤维/银薄膜对大肠杆菌的杀菌效果

c.PBS缓冲液和纤维素微纤维/纤维素纳米纤维/银薄膜对绿脓杆菌的杀菌效果

d.PBS缓冲液和纤维素微纤维/纤维素纳米纤维/银薄膜对金黄色葡萄球菌的杀菌效果

【小结】

作者将分级纳米结构引入到具有独特的发电的特征的自供电的cf-TENG中，实现了去除PM2.5、杀菌和呼吸监测。在纤维素微纤维上构造一维的纤维素纳米纤维，形成高效去除PM2.5的二维的多级纳米结构，这种策略是有效的、成本低的和可持续的。同时，作者用纤维素微纤维/纤维素纳米纤维薄膜作为模板，采用新颖的、有效的方法制备了抗菌活性出色的银纳米纤维薄膜。cf-TENG还成功地监测了呼吸速率和强度。作者在cf-TENG的材料制备和结构设计的成果不但为医疗领域的可穿戴电子器件提供了新的方式，而且会带来更环保、功能性的柔性电子器件，有助于减少电子废弃物的累积和不可再生资源的消耗。

文献链接：A Hierarchically Nanostructured Cellulose Fiber‐Based Triboelectric Nanogenerator for Self‐Powered Healthcare Products（Adv. Funct. Mater. ，2018，DOI：10.1002/adfm.201805540）

【团队介绍】

在佐治亚理工学院、中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士带领及指导下，同时在四川大学高分子国家重点实验室卢灿辉教授的指导下，由何旭博士及邹海洋博士等研究员共同开发设计了一种多级纳米结构纤维素纤维基摩擦纳米发电机，同时实现去除PM2.5，抗菌和人体呼吸监测，在用于医疗自供电可穿戴电子器件中有巨大的潜力，也为更环保、功能性的柔性电子器件的制备提供了新思路。

【团队在该领域工作汇总】

纳米技术的快速发展使我们能够开发大量新型的可穿戴设备，如活动追踪器，智能纺织品和医疗保健设备。然而，理想纳米结构的制造方法通常复杂且昂贵，并且用于制备这些电子产品的材料主要来自不可再生资源。因此，这也对我们生活环境造成日益严重的问题和潜在威胁。同时这些电子材料大多是含有有毒或者潜在的有毒元素，长期的佩戴也会对人体造成不相容的不适。基于上述考虑，王中林团队将可再生及生物可降解的环境友好高分子材料引入摩擦纳米发电机，设计和开发了一系列基于多级纳米结构的摩擦纳米发电器件和基于摩擦纳米发电独特供电效应的多功能自驱动传感器件。其研究团队基于纤维素纸基及多级纳米结构构建，设计了具有声波能量采集和声音识别记录功能的超薄、可卷绕摩擦纳米发电纸(Fan, Xing, et al. ACS nano 9.4 (2015): 4236-4243)；用于移动电子供电及无线人机交互系统的纸基自供电系统(He, Xu, et al. Nano Energy 39 (2017): 328-336)；折纸摩擦电纳米发电机和自供电压力传感器(Yang, Po-Kang, et al. ACS nano 9.1 (2015): 901-907)；基于剪纸阵列图案的可拉伸摩擦电纳米发电机(Wu, Changsheng, et al. ACS nano 10.4 (2016): 4652-4659)；可用于自供电的便携式电子供电和医疗系统的超轻的纸基自供电电源设备(Guo, Hengyu, et al. ACS nano 11.5 (2017): 4475-4482)及用于环保及人体健康的自供电医疗电子设备的多级结构摩擦纳米发电设备(He, Xu, et al. Advanced Functional Materials (2018): 1805540)；此外，基于可降解生物高分子材料，研究团队还设计了可置入人体的自供电医疗设备(Zheng, Qiang, et al. Science advances 2.3 (2016): e1501478; Ma, Ye, et al. Nano letters 16.10 (2016): 6042-6051)。

【相关优质文献推荐】

(1) He, X., Zou, H., Geng, Z., Wang, X., Ding, W., Hu, F., … & Wang, Z. L. (2018). A Hierarchically Nanostructured Cellulose Fiber-Based Triboelectric Nanogenerator for Self‐Powered Healthcare Products. Advanced Functional Materials, 1805540.

(2) Guo, H., Yeh, M. H., Zi, Y., Wen, Z., Chen, J., Liu, G., ... & Wang, Z. L. (2017). Ultralight cut-paper-based self-charging power unit for self-powered portable electronic and medical systems. ACS nano, 11(5), 4475-4482.

(3) Zheng, Q., Zou, Y., Zhang, Y., Liu, Z., Shi, B., Wang, X., ... & Wang, Z. L. (2016). Biodegradable triboelectric nanogenerator as a life-time designed implantable power source. Science advances, 2(3), e1501478.

(4) He, X., Zi, Y., Yu, H., Zhang, S. L., Wang, J., Ding, W., ... & Wang, Z. L. (2017). An ultrathin paper-based self-powered system for portable electronics and wireless human-machine interaction. Nano Energy, 39, 328-336.

(5) Wu, C., Wang, X., Lin, L., Guo, H., & Wang, Z. L. (2016). based triboelectric nanogenerators made of stretchable interlocking kirigami patterns. ACS nano, 10(4), 4652-4659.

(6) Yang, P. K., Lin, Z. H., Pradel, K. C., Lin, L., Li, X., Wen, X., ... & Wang, Z. L. (2015). based origami triboelectric nanogenerators and self-powered pressure sensors. ACS nano, 9(1), 901-907.

(7) Fan, X., Chen, J., Yang, J., Bai, P., Li, Z., & Wang, Z. L. (2015). Ultrathin, rollable, paper-based triboelectric nanogenerator for acoustic energy harvesting and self-powered sound recording. ACS nano, 9(4), 4236-4243.

本文由材料人编辑部kv1004供稿，材料牛整理编辑。  感谢第一作者何旭博士对本文的修改。

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