Chem. Eng. J.综述：用于可穿戴电子设备和自供电传感的静电纺丝纳米纤维TENGs
一、【导读】
近年来，随着电子器件向着小型化、功能化的方向迈进，可穿戴电子器件受到越来越多的关注，但是可穿戴电子器件的能源供给问题目前仍亟待解决。摩擦纳米发电机（TENGs）依赖于材料之间的静电荷，能将机械振动转化为电能，具有高瞬时功率输出和效率、低成本、易于制造，重量轻，耐磨等特点，可以满足未来对清洁和可持续技术的需求。TENGs的宏观性能往往是由表面和材料性能在纳米尺度上的多方面作用决定的，其中，通过纺织或纤维TENGs为相对低功率的可穿戴电子传感器及设备提供能源是TENGs一个可行的、应用广泛的领域。
二、【成果掠影】
近日，爱尔兰斯莱戈大西洋理工大学Aswathy Babu研究员、Suresh C. Pillai教授等人对静电纺丝纳米纤维TENGs进行了系统性的综述。静电纺丝是一种低成本、高效、大规模生产纳米纤维的方法，电纺纳米纤维则有着高比表面积、导电性和超高柔韧性等特点。对于需要灵活性、柔软性、重量轻等性能的可穿戴电子产品来说，基于电纺纳米纤维的TENGs有着非常广泛的应用。本文着重介绍了静电纺丝制备TENG及其在材料设计、功能和性能方面的研究进展，还详细讨论了用于柔性和可穿戴电子产品的静电纺丝TENGs和自供电传感器的最新研究，从而对下一代基于纳米纤维的TENG器件的设计制作进行启发，本综述以“Electrospun nanofiber based TENGs for wearable electronics and self-powered sensing”为题发表在Chemical Engineering Journal期刊上。
三、【核心创新点】
本文综述了静电纺丝中摩擦电聚合物的研究进展，详细介绍了制备静电纺丝TENGs的不同方法，并讨论了可穿戴电子器件的应用前景以及基于静电纺丝TENGs的自供电传感器所面临的挑战和未来展望。
四、【数据概览】
图一：(A) TENGs的基本工作模式：(a)垂直接触分离模式，(b)横向滑动模式，(c)单电极模式，(d)独立式摩擦电层模式。(B) AlphaLab开发的摩擦电工作台。(C)图示：(a)基本静电纺丝装置，(b)静电纺丝聚氨酯(PU)纤维网和(c)静电纺丝PU纤维网的SEM图像。©2023 The author(s)
图二：(A) (a-b)静电纺丝PI纳米纤维膜的微观结构：摩擦层类型对(c) VOC和(d) ISC的影响。(B) 基于灵活多孔气凝胶和静电纺丝纳米纤维的能量收集和敏感自供电传感的摩擦电纳米发电机。(C) (a) 基于封闭纳米孔静电纺膜的TENG制造原理图；(b-c) 带有不同表面电荷的静电纺聚合物膜在PVDF和PHBV膜上处理前后的示意图；(d-e) 静电纺聚合物膜在PVDF和PHBV膜上处理前后的FE-SEM图；(f-g) SP-TENGs在PVDF和PHBV膜处理前后的最佳输出电压。(D) 静电纺PMMA纤维的扫描电镜图像(a) 正极性；(b) 负极性；(c) 纤维平均直径直方图；(d) 单个PMMA聚合物链单元的结构示意图。©2023 The author(s)
图三：(A) PVDF-AgNW和尼龙纳米纤维静电纺丝TENG装置的原理图、形貌(SEM和TEM图像)、表面电位、应用于PVDF溶液的静电纺丝过程示意图和工作模式示意图。(B)静电纺丝法制备PVDF/GQD复合NFs基TENG器件的工艺及结构。(C) (a)描述MXene集成到PVDF基质的化学结构和方案，(b)静电纺尼龙6/6纳米纤维的FESEM图像，(C) 静电纺PVDF纳米纤维、(d) PMC纳米纤维和(e-f) PMC纳米纤维的TEM图像，显示MXene纳米片嵌入PVDF基质，(g)含有MXene的PMC纳米纤维的EDS元素映射图像。(D)静电纺丝法制备Fe3O4NP/PVDF复合材料NFs和TENG器件结构。©2023 The author(s)
图四：(A) (a)基于PVDF静电纺丝纳米纤维的机织织物TENG制作流程图，(b) PVDF静电纺丝纤维制成的机织织物图像。(B) PVDF/ZnO NWs基静电纺纳米复合材料的制备。(C) (a) 基于核壳结构的摩擦电纱，(b) 静电纺丝装置，(c-d) 制备的核壳纱形貌，(e) 核壳纱实际图像。(D) (a) SETY的工作原理和示意图，(b) 可拉伸的SETY，(c) 使用扫描电子显微镜看到的SETY横截面，(e-f) 由SETY制作的平面织物，(f) 织物被昆虫接触的灵敏度测量。(E) (a) 使用SETY检查纺织品成分，(b) 布料样本和(c-d) 不同织物样品的电输出。©2023 The author(s)
图五：(A) 铁电极化对摩擦电表面电位和电荷密度的影响，(a-c)具有不同电负材料的Fe-TENG的原理图，(B) (a-d) 原理图，(e-g) SEM图像，(h) BN-TENG中压力处理PVDF纳米纤维的工作原理。(C) (a-d) BN-TENG和 (e-f) BN-TENG的操作机制和电气输出，可以为电子设备供电，如:计算器、温度计、遥控器和锂离子电池。©2023 The author(s)
图六：(A) WB-TENG制备工艺示意图，(b) WB-TENG的SEM图像和 (c) 说明PHFC薄膜疏水性能的图像。(B) 基于静电纺丝PVDF-石墨烯纳米片复合纳米纤维的TENG能量收集示意图。(C) 用富氧聚合物作为机械能收获器的静电纺正摩擦材料示意图。(D) 用于TENG应用的静电纺丝聚合物中液态金属颗粒的电荷捕获和效应示意图。©2023 The author(s)
图七：(A)多层TENG中的摩擦电荷转移和存储过程，(b-e)含炭黑的静电纺CA、PES、PS纳米纤维的SEM图像。(B) 多层复合TENG原理图和光学图像。(C) (a-c) 多层TENG电输出特性，(d-f) 演示不同的人类生物力学能量收集应用。(D) (a) 可拉伸透明TENG的制备工艺示意图，(b) MXene-AgNWs-MXene-PU纳米纤维杂化电极和(c) AgNWs-PU纳米纤维电极的SEM图像，(D) MXene、AgNWs和PU纳米纤维的界面相互作用机理图。(E)用氨基修饰纳米纤维膜表面增加疏水性的策略。©2023 The author(s)
图八：(A) SI-TENG作为一种用于娱乐游戏的触觉传感器进行了演示: (a) 3×3 SI-TENG阵列的原理图，(b) 3×3 SI-TENG阵列的结构，(c) SI-TENG与手耦合的示意图，(d)传感器系统电路原理图，(e) SI-TENG阵列如何控制游戏角色的运动演示以及(f) 实时输出电压的截图。(B)基于自链接可拉伸纳米纤维(SNF-TENG)的TENG结构和特性:(a) SNF-TENG制造过程的示意图描述，(B) SNF-TENG结构的三明治状结构，(c)表面形貌和截面扫描电镜图片，(d)循环拉伸特性，(e-g)展示SNF-TENG的拉伸性、柔韧性、疏水性和可洗性的照片。©2023 The author(s)
图九：(A) 基于PVDF/Ag NWs的压力传感器的设计与结构。(B) 基于TENG的PVDF静电纺丝纳米纤维的制备。(C) (a) FSTENG制作过程的示意图，(b)制备好的pPDMS薄膜的照片，(c) FSTENG贴在手指关节上的照片，(d) FSTENG贴在鞋垫上的照片，(e) FSTENG贴在叶片表面的照片，(f) FSTENG对拉伸应变的电响应。(D) FSTENG的应用:(a)不同手指弯曲频率和(b)不同行走状态下的FSTENG电压输出信号，(c) 348个led照明前后的FSTENG光学图像，(d -e) FSTENG作为风速传感器的功能机制以及(f) FSTENG在不同风速下的输出电压信号。©2023 The author(s)
图十：(A) (a) 全纤维混合摩擦电纳米发电机原理图，(b)丝纳米纤维的扫描电镜图像。(B) (a)可穿戴式TENG的结构设计和(b)灵活性。(C) (a-d)聚DADMAC /尼龙-11纳米纤维膜的制备和表征，(e)袜子上的TENG测试，(f-i)人体运动电压输出，(j)自供电运动监测的设置，(k)物联网应用的人体运动跟踪，(l)智能手机启用的有源人体运动传感器。©2023 The author(s)
五、【成果启示】
利用纳米纤维将机械能转化为电能，用于自供电有源系统及设备，是纳米能源领域的一个重要里程碑。使用基于纳米纤维的TENG进行的微尺度机械能收集可以按比例放大，用来提供高体积功率密度，在宏观尺度上转换率高达85%。尽管这仍然低于传统薄膜 TENG 的可用输出，但这对于纤维界面来说是一个高输出。TENG 设备具有许多吸引人的特性：重量轻、灵活性、透气性、形状一致性，甚至可洗性。人体运动、风振动、水流、波浪运动和轮胎旋转等都可以用于下一代 TENGs 的发电。基于纳米纤维的 TENG 设备将更大规模地用于创新织物和下一代可穿戴电子产品。有潜力为可穿戴电子设备提供动力的静电纺丝纳米发电机要付诸实践还有很长的路要走，例如使用静电纺丝技术的灵活性和形态控制能力来生成更优化的材料和设备结构等。现在可以通过使用新型纤维基材料来提高纳米发电机的输出性能。然而，电纺纤维可能会随着时间的推移而变形并削弱设备，并且它们与基材的结合强度是一个问题。在制作高稳定性设备时，必须考虑材料设计，还需要深入研究纳米发电机在可穿戴电子产品（尤其是耐用性）中的实际应用。所有这些挑战领域的进步都可能导致产量增加以及耐用性的提高，从而加速推出先进的基于纳米纤维的 TENG 作为可穿戴行业的电池替代品。
原文详情：Aswathy, B., Irthasa, A., Ryan, W. et al. Electrospun nanofiber based TENGs for wearable electronics and self-powered sensing. Chem. Eng. J. (2023). https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.139060
本文由煎蛋白供稿
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