聂双喜教授团队Small：球形多重网络结构的摩擦电材料应用于非接触运动传感

【导读】

非接触式摩擦纳米发电机(TENG)可有效避免摩擦材料物理接触和减少摩擦，确保TENG能够稳定、高效的运行。得益于这些独特优势，近年来其在非接触传感领域得到了广泛的应用。然而，非接触式摩擦纳米发电机遇到的一个共同的关键挑战是随着摩擦材料表面分离距离的增加，电输出性能就会减少，从而制约着其在非接触传感领域进一步的应用。所以采用优良的技术方法和材料开发具有高电荷密度的摩擦电材料显得及其迫切。

【成果掠影】

近日，聂双喜教授团队通过在静电纺丝过程中控制旋转射流的瑞利不稳定性变形和蒸汽诱导相分离，制备了一种球形多重物理网络结构的PVDF@Ti₃C₂T_x复合膜作为自供电非接触传感器摩擦电材料。将该摩擦电材料用于自供电非接触传感器中具有良好的速度灵敏度，还能在70厘米范围内准确识别人体跑步、跳跃和步行等运动状态，并将信号以不同波普形式呈现，实现了对人体状态的可视化实时监测。相关成果以“Spheres Multiple Physical Network-Based Triboelectric Materials for Self-Powered Contactless Sensing”为题发表在Small上。

【核心创新点】

1.通过在静电纺丝过程中控制旋转射流的瑞利不稳定性变形和蒸汽诱导相分离，制备了一种球形多重物理网络结构的PVDF@Ti₃C₂T_x复合膜，解决了摩擦电材料表面电性能输出低的难题。

2.巧妙利用静电感应原理，将 PVDF@Ti₃C₂T_x复合膜作为摩擦电材料运用在自供电非接触传感中。

3.由该复合膜组装的自供电非接触传感器具有良好的速度灵敏度(175 Vs m^-1)，还能在70厘米范围内准确识别人体跑步(55 mV)、跳跃(105 mV)和步行(40 mV)等运动状态，并将信号以不同波普形式呈现。

【图文导读】

图1.球体多物理网络形成过程示意图。a)旋转流体形成轴对称射流，并进一步转化为多孔球体。b)带电射流的不稳定性模型。c)射流RI变形过程。d-g) 18、17、16和15 kV电压下球体形态的SEM图像。

图2. PVDF@Ti₃C₂T_x纺丝薄膜的表征。a)静电纺丝PVDF@Ti₃C₂T_x纺丝膜形成过程示意图。b)不同Ti₃C₂T_x条件下多孔微球膜的XRD谱图。c)多孔微球薄膜在不同Ti₃C₂T_x存在下的拉曼光谱。d) PVDF@Ti₃C₂T_x纺丝薄膜的高分辨率C1s峰。e)不同Ti₃C₂T_x条件下多孔微球膜的电导率比较。f)比较不同Ti₃C₂T_x条件下多孔微球膜的表面疏水性。g)两种膜上多孔微球表面的粗糙度。

图3. PVDF@Ti₃C₂T_x纺丝膜基TENGs的输出性能。a) TENG结构示意图。b)不同摩擦电材料的电荷密度。c)不同孔径薄膜的电荷密度。d)不同球形直径薄膜的输出电荷密度。e)不同湿度条件下薄膜的输出电荷密度。f)不同类型TENGs在室温下的充电曲线。g)将本工作中TENGs的峰值电荷密度性能与之前报道的类似结果进行比较。h)不同摩擦电材料下TENG在不同负载条件下的负载输出功率曲线。i)将本工作中TENGs的功率密度性能与以往类似报告进行比较。

图4. 传感器设计及工作原理。a) 初步表征的实验装置。b) 由带正电或负电的物体移动而产生的电流。c) PVDF@Ti₃C₂T_x传感器距离变化引起的电压和电荷输出。d) PVDF@Ti₃C₂T_x传感器面积变化导致的电压和电荷输出。e) 不同活动和距离的电压输出。f) 不同摩擦电材料的电压输出。

图5. 自供电非接触传感器应用于人体运动监测。a) 不同运动姿势通过传感器的示意图。b) 基于速度的峰值电压响应拟合曲线。c) 步行通过传感器时的输出信号。d) 跑步通过传感器时的输出信号。e) 快速步行通过传感器时的输出信号。f) 当一个人摔倒时，两个不同的传感器识别信息。g) 当一个人从一个地方移动到另一个地方时，室内导航也可以被识别。

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