最新AFM：基于生物相容性液态电解质开发可拉伸和形状自适应的摩擦纳米发电机

【引言】

近年来，物联网和人工智能的需求促进了可穿戴电子器件的快速发展，其在电子皮肤、人类健康监测和机器人等领域得到了广泛应用。然而，目前最先进的能源器件仍无法与可穿戴柔性电子设备的生物相容性、灵活性或延展性相匹配，缺乏可持续性和可靠的电力供应。因此，发展可拉伸和形状自适应的能源器件具有重要意义。摩擦纳米发电机(TENG)作为一种可持续的能量收集器件，其基于接触起电和静电感应效应的耦合，能够将各种机械能转化为电能。特别是在弯曲、扭曲和柔性等的各种变形下，仍可以维持TENG的稳定电学输出性能。为了进一步提高可拉伸性，各种固态导电材料被用于摩擦纳米发电机的工作电极，但由于它们的高杨氏模量、低机械韧性、和拉伸条件下电导率衰减厉害限制了固态导电电极在柔性可穿戴电子设备的大规模应用。因此，开发一种可拉伸、形状自适应、长期稳定性、和生物相容性的液态电解质为工作电极的摩擦电纳米发电机(TENG)，作为能量收集器和自供电传感器具有重要意义，将能够满足可穿戴电子设备的快速增长。

近期，河南大学王新团队提出利用液态电解质（碘化钾甘油溶液）为工作电极，构建了柔性可拉伸的摩擦纳米发电器件用于人体机械能的收集和人机交互，器件具有低成本、生物相容性和形状自适应的特性。在单电极工作模式下，摩擦纳米发电器件呈现了较高的电学输出性能：开路电压为300 V，短路电流密度为17.5 mA m^-2和最大输出功率2.0 W m^-2。同时，摩擦纳米发电器件在250%张力拉伸下维持稳定的电学输出性能以及 10000次反复接触-分离运动后仍能保持可靠和持久的电学信号输出。该器件能够有效收集人体运动机械能，直接驱动可穿戴设备（如电子表和计算器）工作，并且构建了基于该器件的可穿戴柔性触摸平板和人体运动监视器，成功实现了人机交互。相关研究成果以“Stretchable and Shape-Adaptable Triboelectric Nanogenerator Based on Biocompatible Liquid Electrolyte for Biomechanical Energy Harvesting and Wearable Human–Machine Interaction”为题发表在Advanced Functional Materials上。

【图文导读】

图一、TENG的制作工艺及工作机理

（a）TENG的详细制作过程的示意图；

（b）TENG在初始状态下和拉伸到300%下的照片；

（c）厚度为4.0 mm器件的应力应变曲线；

（d）TENG的单电极工作机理示意图。

图二、TENG的输出性能

（a-c）在不同的运动频率（0.5-2.5 Hz）下的电学输出性能；

（d）输出性能对外部负载电阻的依赖性；

（e）不同外部负载电阻下不同运动频率的输出功率；

（f）不同材料与器件接触分离运动的输出电压。

图三、不同拉伸状态下TENG的输出电学性能

（a-c）TENG在不同拉伸状态下的V_oc、I_sc和Q_sc；

（d）TENG不同外部载荷下不同应变的输出功率。

图四、TENG为便携式电子设备工作提供电能

（a）为便携式电子设备供电的等效电路；

（b）对1.0 μF商用电容器充电时，充电电压随频率增加而增大；

（c）TENG点亮超过150个发光二极管的示意图；

（d-f）用手轻拍TENG的输出性能；

（g、h）用手轻拍TENG产生电能为电子表和计算器供电的照片；

（i）为33 μF电容器的充电以及电容充电后为计算器供电的曲线。

图五、TENG收集生物机械能的性能

（a、b）膝盖弯曲和释放下的V_oc和I_sc；

（c、d）肘部弯曲和释放下的V_oc和I_sc；

（e、f）手腕弯曲和释下的V_oc和I_sc。

图六、人机交互

（a-c）商用电子模块；

（d）LCD显示屏模块；

（e）人机交互等效电路示意图；

（f）基于TENG的自供电可穿戴触摸面板，通过微处理器与LCD显示屏相连，敲击触摸面板能够显示预设的键入字母；

（g）基于TENG的自供电可穿戴身体运动计数器；

（h）手指键入可穿戴触摸面板产生的模拟信号；

（i）电路处理产生的数字信号。

【小结】

总之，基于生物相容性和长期稳定的液态电解质为工作电极，开发了一种可拉伸形状自适应的摩擦纳米发电机，能够收集人体运动机械能为可穿戴电子设备供电，并成功实现了可穿戴的人机交互。构建的TENG能够实现高输出性能(V_oc为300 V，J_sc为17.5 mA m^-2，和P_max为2.0 W m^-2)和在250%张力拉伸下稳定的电学信号输出，且经过10000次反复接触-分离运动循环后性能不衰减。此工作，基于碘化钾-甘油溶液液态电解质的特性，成功构建了生物相容性、低成本、可拉伸性、和形状自适应的摩擦纳米发电机。同时，构建了不同形状的TENG(包括块状和管状)，都能够收集人体运动机械能，用于驱动便携式电子产品。另外，基于TENG的可穿戴柔性触摸面板与微处理器相连，成功实现了人机交互功能。这项工作呈现液态电解质作为工作电极，构建柔性和可拉伸性的TENG的潜在应用前景，将在电子皮肤、可穿戴多功能智能电子产品、软机器人、自供电生物医学监控和其他领域具有重要的应用潜力。

文献链接：“ Stretchable and Shape-Adaptable Triboelectric Nanogenerator Based on Biocompatible Liquid Electrolyte for Biomechanical Energy Harvesting and Wearable Human–Machine Interaction ”(Advanced Functional Materials，2020，10.1002/adfm.202007221)

团队负责人简介：

王新，博士，河南大学，教授，主要从事纳米能源（纳米发电）与柔性物理器件等领域的研究。现已主持国家自然科学基金项目3项，参与了包括国家自然科学基金委重点项目、863计划、中科院重大研究计划和先导专项等10余项。近年来共发表SCI收录论文30余篇，包括有ACS Nano, J. Am. Chem. Soc., Adv. Funct. Mater., Nano Energy等国际知名杂志, 被引用次数超过2000余次，单篇最高引用次数超过200次；授权发明专利4项；荣获中国科学院院长优秀奖、教育部自然科学二等奖、中国分析测试协会科学技术奖一等奖和中国科学院青年创新促进会会员，河南省物理学会理事，曾在美国佐治亚理工学院（师从王中林教授，中科院外籍院士）从事访问研究工作，目前被聘为河南大学黄河学者特聘教授。

代表性论文：

1.Liu, W.; Wang, X.;* Song, Y.; Cao, R.; Wang, L.; Yan, Z.; Shan, G.* Self-Powered Forest Fire Alarm System Based on Impedance Matching Effect between Triboelectric Nanogenerator and Thermosensitive Sensor. Nano Energy, 2020, 73, 104843.

2.Wang, X.; Wen, Z.; Guo, H.; Wu, C.; He, X. Lin, L.; Cao, X.; and Wang, Z.L.* Fully Packaged Blue Energy Harvester by Hybridizing a Rolling Triboelectric Nanogenerator and an Electromagnetic Generator. ACS Nano, 2016, 11369-11376.

3.Wu, C.; ^† Wang, X.; ^† Lin, L.; Guo, H.; Wang, Z.L.* Paper-Based Triboelectric Nanogenerators Made of Stretchable Interlocking Kirigami Patterns. ACS Nano, 2016, 10, 4652-4659. († Equally contributed).

4.Cao, R.；Sun, D.；Wang, L.; Yan, Z.; Liu, W.; Wang, X.;* Zhang, X.* J. Mater. Chem. A 2020, 8, 13207.

5.Wang, X.; Na, N.; Zhang, S.; Wu, Y.; Zhang, X.* Rapid Screening of Gold Catalysts by Chemiluminescence-based Array Imaging. J. Am. Chem. Soc, 2007, 129, 6062-6063.

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