王中林院士AFM一大力作：用于自供電醫療產品的多級納米結構纖維素纖維基摩擦納米發電機

【引言】

纖維素納米纖維來源于自然資源，具有一維纖維結構，已經被構筑成一系列二維和三維的納米結構用于功能性的應用。纖維素納米纖維在電子器件中具有可觀的優點，因為它不僅儲量極大、具有生物相容性，而且質輕和具有生物降解性、出色的機械性能和低的熱膨脹系數。因此，使用纖維素納米纖維作為基本成分來開發一系列納米結構用于低成本的、對環境友好的、柔性的功能性電子器件，已成為下一代可穿戴電子器件的有吸引力的選擇。摩擦納米發電機是新發明的技術，以摩擦起電和靜電感應為基礎。由于它的能量轉化效率高、成本效益高、具有普適性和對環境友好，能夠通過將機械能，尤其是低頻率的身體運動的能量，有效轉化成電能來持續地給電子器件供電。然而，目前還沒有摩擦納米發電機能夠同時實現高效去除PM2.5，抗菌和人體呼吸監測。

【成果簡介】

近日，美國喬治亞理工學院王中林院士、我國四川大學盧燦輝教授（共同通訊作者）和何旭博士（第一作者）、鄒海洋博士（共同第一作者）在著名期刊Advanced? ?Functional? Materials上發表了題為A Hierarchically Nanostructured Cellulose Fiber-Based?Triboelectric Nanogenerator for Self-Powered Healthcare Products的文章。本文采用了環保、通用、高效的方法，通過構造多級納米結構和利用摩擦納米發電機獨特的發電模式，制備了具有去除PM2.5、抗菌和自供電監測人體呼吸的纖維素纖維基摩擦納米發電機（cf-TENG），闡明了它對改善空氣質量和呼吸監測的優異性能。上述成果表明了作者制備的多級納米結構cf-TENG在用于醫療自供電可穿戴電子器件中有巨大的潛力。

【圖文導讀】

圖1.cf-TENG的示意圖、微觀結構和照片

a.cf-TENG的示意圖和纖維素/銀多級納米結構的制備流程圖

b.纖維素微纖維的微觀結構

c.纖維素微纖維/纖維素納米纖維/銀微觀結構

d.一般狀態下的cf-TENG

e.彎曲狀態下的cf-TENG

圖2.cf-TENG的工作原理

a.全氟乙烯丙烯共聚物層和纖維素纖維層接觸時cf-TENG的電位分布

b.全氟乙烯丙烯共聚物層和纖維素纖維層分開時cf-TENG的電位分布

c.全氟乙烯丙烯共聚物層和纖維素纖維層分開時cf-TENG的電荷分布

d.全氟乙烯丙烯共聚物層和纖維素纖維層接觸和分開的過程的cf-TENG的短路電流

圖3.cf-TENG的電學輸出性能

a-c.不同工作頻率下的開路電壓曲線、短路電流曲線和短路電荷轉移曲線

d-f.不同工作位移下的開路電壓曲線、短路電流曲線和短路電荷轉移曲線

圖4.cf-TENG的呼吸監測和去除PM2.5

a.cf-TENG的呼吸監測測試系統的具體組成部分和電信號的顯示

b.正常呼吸和跑步后呼吸的電信號

c.上圖：空氣流道的照片? ? 下圖：cf-TENG和普通的棉布口罩過濾PM2.5的示意圖

d.cf-TENG和普通的棉布口罩去除PM2.5的對比

圖5.纖維素微纖維/纖維素納米纖維/銀納米結構薄膜的抗菌活性

a.PBS緩沖液和纖維素微纖維/纖維素納米纖維薄膜對大腸桿菌的殺菌效果

b.PBS緩沖液和纖維素微纖維/纖維素納米纖維/銀薄膜對大腸桿菌的殺菌效果

c.PBS緩沖液和纖維素微纖維/纖維素納米纖維/銀薄膜對綠膿桿菌的殺菌效果

d.PBS緩沖液和纖維素微纖維/纖維素納米纖維/銀薄膜對金黃色葡萄球菌的殺菌效果

【小結】

作者將分級納米結構引入到具有獨特的發電的特征的自供電的cf-TENG中，實現了去除PM2.5、殺菌和呼吸監測。在纖維素微纖維上構造一維的纖維素納米纖維，形成高效去除PM2.5的二維的多級納米結構，這種策略是有效的、成本低的和可持續的。同時，作者用纖維素微纖維/纖維素納米纖維薄膜作為模板，采用新穎的、有效的方法制備了抗菌活性出色的銀納米纖維薄膜。cf-TENG還成功地監測了呼吸速率和強度。作者在cf-TENG的材料制備和結構設計的成果不但為醫療領域的可穿戴電子器件提供了新的方式，而且會帶來更環保、功能性的柔性電子器件，有助于減少電子廢棄物的累積和不可再生資源的消耗。

文獻鏈接：A Hierarchically Nanostructured Cellulose Fiber‐Based Triboelectric Nanogenerator for Self‐Powered Healthcare Products（Adv. Funct. Mater.?，2018，DOI：10.1002/adfm.201805540）

【團隊介紹】

在佐治亞理工學院、中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士帶領及指導下，同時在四川大學高分子國家重點實驗室盧燦輝教授的指導下，由何旭博士及鄒海洋博士等研究員共同開發設計了一種多級納米結構纖維素纖維基摩擦納米發電機，同時實現去除PM2.5，抗菌和人體呼吸監測，在用于醫療自供電可穿戴電子器件中有巨大的潛力，也為更環保、功能性的柔性電子器件的制備提供了新思路。

【團隊在該領域工作匯總】

納米技術的快速發展使我們能夠開發大量新型的可穿戴設備，如活動追蹤器，智能紡織品和醫療保健設備。然而，理想納米結構的制造方法通常復雜且昂貴，并且用于制備這些電子產品的材料主要來自不可再生資源。因此，這也對我們生活環境造成日益嚴重的問題和潛在威脅。同時這些電子材料大多是含有有毒或者潛在的有毒元素，長期的佩戴也會對人體造成不相容的不適。基于上述考慮，王中林團隊將可再生及生物可降解的環境友好高分子材料引入摩擦納米發電機，設計和開發了一系列基于多級納米結構的摩擦納米發電器件和基于摩擦納米發電獨特供電效應的多功能自驅動傳感器件。其研究團隊基于纖維素紙基及多級納米結構構建，設計了具有聲波能量采集和聲音識別記錄功能的超薄、可卷繞摩擦納米發電紙(Fan, Xing, et al. ACS nano 9.4 (2015): 4236-4243)；用于移動電子供電及無線人機交互系統的紙基自供電系統(He, Xu, et al. Nano Energy 39 (2017): 328-336)；折紙摩擦電納米發電機和自供電壓力傳感器(Yang, Po-Kang, et al. ACS nano 9.1 (2015): 901-907)；基于剪紙陣列圖案的可拉伸摩擦電納米發電機(Wu, Changsheng, et al. ACS nano 10.4 (2016): 4652-4659)；可用于自供電的便攜式電子供電和醫療系統的超輕的紙基自供電電源設備(Guo, Hengyu, et al. ACS nano 11.5 (2017): 4475-4482)及用于環保及人體健康的自供電醫療電子設備的多級結構摩擦納米發電設備(He, Xu, et al. Advanced Functional Materials (2018): 1805540)；此外，基于可降解生物高分子材料，研究團隊還設計了可置入人體的自供電醫療設備(Zheng, Qiang, et al. Science advances 2.3 (2016): e1501478; Ma, Ye, et al. Nano letters 16.10 (2016): 6042-6051)。

【相關優質文獻推薦】

(1) He, X., Zou, H., Geng, Z., Wang, X., Ding, W., Hu, F., … & Wang, Z. L. (2018). A Hierarchically Nanostructured Cellulose Fiber-Based Triboelectric Nanogenerator for Self‐Powered Healthcare Products. Advanced Functional Materials, 1805540.

(2) Guo, H., Yeh, M. H., Zi, Y., Wen, Z., Chen, J., Liu, G., ... & Wang, Z. L. (2017). Ultralight cut-paper-based self-charging power unit for self-powered portable electronic and medical systems. ACS nano, 11(5), 4475-4482.

(3) Zheng, Q., Zou, Y., Zhang, Y., Liu, Z., Shi, B., Wang, X., ... & Wang, Z. L. (2016). Biodegradable triboelectric nanogenerator as a life-time designed implantable power source. Science advances, 2(3), e1501478.

(4) He, X., Zi, Y., Yu, H., Zhang, S. L., Wang, J., Ding, W., ... & Wang, Z. L. (2017). An ultrathin paper-based self-powered system for portable electronics and wireless human-machine interaction. Nano Energy, 39, 328-336.

(5) Wu, C., Wang, X., Lin, L., Guo, H., & Wang, Z. L. (2016). based triboelectric nanogenerators made of stretchable interlocking kirigami patterns. ACS nano, 10(4), 4652-4659.

(6) Yang, P. K., Lin, Z. H., Pradel, K. C., Lin, L., Li, X., Wen, X., ... & Wang, Z. L. (2015). based origami triboelectric nanogenerators and self-powered pressure sensors. ACS nano, 9(1), 901-907.

(7) Fan, X., Chen, J., Yang, J., Bai, P., Li, Z., & Wang, Z. L. (2015). Ultrathin, rollable, paper-based triboelectric nanogenerator for acoustic energy harvesting and self-powered sound recording. ACS nano, 9(4), 4236-4243.

本文由材料人編輯部kv1004供稿，材料牛整理編輯。? 感謝第一作者何旭博士對本文的修改。

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