Nano-Micro Letters：可降解、高强度、能水洗的织物基摩擦电纳米发电机

一、【导读】

随着社会的发展和人类对健康的重视，开发研究智能织物对人体运动状态进行实时的监测及可穿戴电子设备供能具有重要的意义。织物基摩擦电纳米发电机（TENG）可以很容易地将人体的机械能转化为电能。由于具有重量轻、灵活性、透气性和可洗性等优点，它已成为可穿戴商业电子产品的有效电源。基于织物的TENG由Maxwell位移电流驱动，通常以四种不同模式运行，即垂直接触分离模式、横向滑动模式、单电极模式和独立模式。在结构和制造方法上，织物基TENG主要包括单纤维结构、2D织物成型结构、3D织物成型和多层织物堆叠结构。为了实现能够满足多样化应用的复杂织物TENG，制备坚固的导电材料具有重要意义，这需要满足良好的机械性能、环境安全性和稳定性，然而它们的共同优势很少被人关注。

二、【成果掠影】

近日，华中科技大学杨光教授和北京纳米能源所王中林院士、孙其君研究员联合报告了一种超强机械强度、可生物降解和可清洗的纤维素基导电纤维线。该纤维线是利用细菌纤维素（BC）的三维网络结构掺杂合成导电物质导电碳纳米管（CNT）和聚吡咯（PPy）后通过拉伸和湿捻的方法制备得到。制备的纤维素基导电纤维线具有449 MPa的高拉伸强度、良好的导电性(~5.32 S/cm)和优异的稳定性。同时纤维线在纤维素酶的作用下108小时内可以完成降解。由纤维素基导电纤维线设计制备的织物基TENG的最大开路电压为170 V，短路电流为0.8 µA，输出功率为352 µW，能够有效为电容器充电并驱动商业电子设备的运行。此外，织物基TENG可以附着在人体衣物上，作为自供电传感器有效监测人体多状态运动。研究成果以题为“Biodegradable, Super-Strong, and Conductive Cellulose Macrofibers for Fabric-Based Triboelectric Nanogenerator”发表在知名期刊Nano-Micro Letters上。

三、【核心创新点】

以可再生的BC为基材制备了可生物降解、超强机械强度及可水洗的导电纤维，并进一步利用该纤维构建了织物基TENG。该织物基TENG可以有效地捕获机械动能驱动手表、计算器和温度湿度计等商业电子设备的运行，并且作为自供电传感器可以对人体的多种肢体动作进行实时的监测。

四、【论文掠影】

图1、BC基导电纤维线的制备 ©2022 The Author

（a）纯BC、BC/CNT及BC/CNT/PPy纤维线的制备示意图。

（b-d）纯BC、BC/CNT及BC/CNT/PPy纤维线的光学图片。

图二、BC基导电纤维的SEM图像 ©2022 The Author

（a-c）BC、BC/CNT、BC/CNT/PPy纤维线的表面SEM图。

（d, g）BC纤维线、（e, h）BC/CNT纤维、（f, i, l）BC/CNT/PPy纤维的截面SEM图。

（j-k）BC/CNT/PPy纤维线缠结后和表面SEM图。

图三、理化性质表征 ©2022 The Author

（a, b, d）BC、BC/CNT、BC/CNT/PPy纤维的XPS图谱。

（c）BC、BC/CNT、BC/CNT/PPy纤维、PPy和CNT的XRD图案。

（e）BC、BC/CNT、BC/CNT/PPy纤维和PPy的FT-IR光谱。

（f）BC/CNT/PPy 粗纤维提拉2 kg重物图片。

（g-i）BC、BC/CNT、BC/CNT/PPy和iBC/CNT/PPy纤维的应力-应变曲线、拉伸强度及杨氏模量、电导率。

（j）BC/CNT/PPy纤维作为导线点亮LED图片。

（k）BC、BC/CNT和BC/CNT/PPy纤维的吸水率和失水率。

图四、可生物降解性能 ©2022 The Author

（a-b）纯BC纤维线和BC/CNT/PPy导电纤维线降解过程中纤维线的光学图片。

（c-d）纯BC纤维线和BC/CNT/PPy导电纤维线降解过程中纤维线的SEM图像。

（e-f）纯BC纤维线和BC/CNT/PPy导电纤维线在降解过程中的重量损失率及降解过程中纤维素酶溶液中总糖含量变化。

图五、织物基TENG的制备及性能 ©2022 The Author

（a-b）织物基TENG结构示意图及两种工作模式。

（c-f）织物基TENG的短路电流、开路电压、各种频率下的转移电荷和瞬时功率作为外部负载电阻的函数。

（g）织物基TENG在1 Hz频率不同冲击力下的输出电压。

（h）不同湿度下织物基TENG的输出电压。

（i）织物基TENG洗涤前后的输出电压。

（j）在1 Hz的接触分离频率下，织物基TENG在1000秒内的输出电压。

（k）织物基TENG在100次机械变形循环下的输出电压。

图六、织物基TENG的应用研究 ©2022 The Author

（a）织物基TENG充电电容器和供电电子设备示意图。

（b）机械加载时织物基TENG对商用电容器的充电曲线。

（c）手表供电时电容器电压实时测试。

（d-f）TENG驱动手表、温度湿度计和计算器的运行。

（g）测试织物基TENG作为自供电传感器的照片和输出电压信号：（ⅰ）步行、（ⅰi）跑步、（iii）跳跃、（iv）举臂、（v）手臂弯曲和（vi）抬腿。

五、【总结展望】

综上，研究人员以可再生的BC为基材通过湿拉和湿拧的方法制备了可生物降解、超强机械强度及可水洗的导电纤维，其具有超强的机械强度（449 MPa）、优异的导电特性（~5.3 S/cm）和可生物降解特性。随后进一步利用该纤维构建了织物基TENG，可以有效地捕获机械动能驱动手表、计算器和温度湿度计等商业电子设备的运行，并且作为自供电传感器可以对人体的多种肢体动作进行实时的监测。研究表明了纤维素基纤维在设计能量收集和生物力学监测的环保织物TENG方面具有潜在的应用价值。

文献链接：Biodegradable, Super-Strong, and Conductive Cellulose Macrofibers for Fabric-Based Triboelectric Nanogenerator (Nano-Micro Letters 2022, 14, 115)

本文由大兵哥供稿