上海微系統與信息技術研究所Nano Energy：利用噴涂技術大規模制備由絲素蛋白膜構成的摩擦納米發電機

u2175908346 6年前 (2017-09-29) 3974瀏覽

【引言】

隨著物聯網技術的快速發展，越來越多的電子設備和傳感器出現在我們周圍。它們主要是由電池驅動，需要周期性的充電和更換。為了減少周期充電的需要，進而收集日常環境中的能量轉化為電能，發展了自驅動設備。傳統的收集技術：壓電、熱電和電磁感應效應被廣泛的研究。自2012年中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士在這一領域取得重大突破，發明了基于摩擦起電效的摩擦納米發電機（TENG）。由于它簡單的結構、制作成本低廉等優勢而受到廣泛的研究。

過去對納米發電機的研究主要關注于兩個方面，一是發展現有的加工技術來設計具有合適表面形貌的摩擦層提高TENG的性能，例如等離子處理、光刻和旋涂等。但是這些技術無不受到固有缺陷限制，如尺寸不好控制，拓展性差和不能大規模生產等。二是發展有前景的人造或者自然材料構建TENG摩擦層，過去使用的材料有PDMS、Kapton、Teflon和蠶絲蛋白（SF）等。蠶絲蛋白由于在摩擦電序中具有強的失電子特性，因此被視為很好的摩擦層材料。但是蠶絲素蛋白膜的大面積制備一直是一個挑戰。為此，研究人員利用簡單的氣壓式噴涂設備在PET/ITO基底上沉積了一層不連續的島狀蠶絲素蛋白膜，作為摩擦層，進而構建了一種可以大規模生產的TENG。

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【成果簡介】

近日，上海微系統與信息技術研究所周曉峰副研究員和香港城市大學王鉆開副教授（共同通訊作者）研究小組利用簡單的噴涂技術在PET/ITO基底上沉積一層具有可再生、柔性、生物兼容性且透明的蠶絲素蛋白膜作為摩擦層，由此摩擦層構建了一種可大規模制備的TENG。制備的TENG輸出電壓達213.9V，輸出功率達68mW/m2。該研究成果以“Toward large-scale fabrication of triboelectric nanogenerator (TENG) with silk-fibroin patches film via spray-coating process”為題發表在Nano Energy上。中國科學院上海微系統與信息研究所博士研究生劉超然為論文第一作者。論文合作單位包括中國科學院上海微系統與信息技術研究所、香港城市大學、浙江大學和華東師范大學。

【圖文導讀】

圖1. TENG的制備和發電機理

  1. 絲素蛋白膜/PET/ITO TENG的制備過程；
  2. 絲素蛋白粉的照片；
  3. 絲素蛋白溶液；
  4. 噴涂制備的絲素蛋白膜/PET/ITO片，尺寸為30*36cm；
  5. 切成尺寸大小為4*6cm的絲素蛋白膜/PET/ITO片；
  6. TENG的發電機理過程。

圖2. 覆蓋在PET/ITO上絲素蛋白膜表面特性表征

  1. ? 覆蓋在PET/ITO上的絲素蛋白膜，在預干燥之前的光學圖片，插圖是絲素蛋白溶液在PET/ITO基底上的接觸角，68.3?；
  2. ? 固化后絲素蛋白/PET/ITO膜的光學照片；
  3. ? 固化后不同噴涂時間的絲素蛋白/PET/ITO膜掃描電鏡照片。

圖3. SF/PET/ITO的透過性

  1. ? PET/ITO、噴涂5s SF/PET/ITO、噴涂 10s SF/PET/ITO和噴涂15s SF/PET/ITO的照片；
  2. ? PET/ITO、噴涂5s SF/PET/ITO、噴涂 10s SF/PET/ITO和噴涂15s SF/PET/ITO的光學透過率。

圖4. 不同條件下發電機的電壓輸出

  1. ?振動臺測量系統的示意圖；
  2. 振動臺測量系統的實物圖；
  3. ?在施加頻率為5Hz, 6.1N力下，SF分別噴涂5s、10s和15s的TENG開路電壓；
  4. ?在施加不同的力下，噴涂15s SF的TENG性能表征；
  5. ?在施加不同頻率下，噴涂15s SF的TENG性能表征；
  6. 發電機的輸出電壓和功率隨負載電阻變化曲線；
  7. ?噴涂15s SF的TENG在持續工作12000個周期后依然保持穩定；
  8. 噴涂15s SF的TENG在7天后，輸出依然保持穩定。

圖5. SF/ PET/ITO TENG的應用測試

  1. ? TENG轉換振動機械能給10μF電容充電；
  2. ?在不同的振動頻率下（1 Hz, 5 Hz 和 10 Hz），噴涂15s SF的TENG給10μF電容充電的電壓曲線；
  3. ?TENG轉換手指激發機械能，點亮100個LED；
  4. ? 單根手指單次敲擊發電機產生的電容充電輸出。

 

【小結】

研究人員通過簡單的噴涂技術實現了TENG的大規模制備。這種廉價、低成本的技術使TENG更容易大規模生產。以SF/PET/ITO作為摩擦層的TENG，在手指的激發下可以迅速點亮100個LED。因此，這種簡單的噴涂工藝可以實現高效率，大規模，高產量和低成本的TENG制造，為納米發電機研究的實用化、商業化進程提供了新的技術思路。

 

文獻鏈接：Toward large-scale fabrication of triboelectric nanogenerator (TENG) with silk-fibroin patches film via spray-coating process（Nano Energy, 2017, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.09.038）

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