東華大學王宏志團隊Nature Communications：兩棲能源紗線與紡織品的連續化制備

能源紗線的光學顯微照片

【成果簡介】

近日，東華大學王宏志教授課題組在可穿戴能源領域取得新進展，相關研究成果以《兩棲能源紗線與紡織品的連續化與規模化制備》(“Continuous and scalable manufacture of amphibious energy yarns and textiles”)為題發表于國際知名學術期刊《自然?通訊》(Nature Communications)。東華大學系論文第一完成單位，東華大學材料學院博士生龔維為第一作者，侯成義副研究員、張青紅研究員、王宏志教授為共同通訊作者。

隨著可穿戴電子設備的快速發展，人們對可穿戴能源的需求逐漸增大。由于傳統電池存在缺乏柔韌性、不可拉伸、難以編織等局限性，柔性隨身能源材料與器件發展獲得了大量關注。目前可穿戴電源的研究多數展示了“佩戴”形式的能源器件，其主要作為服裝的附加品，仍缺乏穿著舒適性。相比之下，服裝本體是現成的物理載體，是更為理想的可穿戴功能集成平臺。鑒于此，研究團隊認為纖維、紗線、織物將成為新一代發電載體。然而，成熟的發電技術，如光伏、熱電、壓電/摩擦電等，與服裝材料和紡織工業的結合尚存在挑戰。目前能源紡織品難以規模化生產、能源器件的性能易受環境濕度影響，而且尚缺乏利用單根紗線實現發電的技術。“能源衣”的開發仍任重道遠。

基礎研究與工程化技術開發“兩開花”

在本工作中，研究人員利用工業級的紡絲設備實現了可拉伸摩擦發電紗線的連續化與規模化生產。此類發電紗線由高彈性聚合物材料（橡膠）與螺旋金屬纖維構成，這兩類本征彈性體與非本征彈性體通過皮芯結構的設計合二為一，具有協同應變行為。發電紗線在拉伸、彎曲、扭曲等應變下，內部兩類材料間發生電子轉移，可產生毫瓦級的輸出功率。

圖 1 .發電紗線的紡制流程與實物照片

新效應助推水陸兩棲發電應用

研究人員深入探討了金屬與非晶聚合物接觸/分離的單電極勢阱模型，發現非晶聚合物不僅作為隔離層防止紗線內場電勢被外界環境氣氛（氣體、水等）消除，其界面的感應電荷竟能夠與外界氣氛分子發生耦合增益，由此本工作中首次提出了摩擦發電器件的電勢/極化耦合效應的假設。借助特殊的皮芯結構設計與耦合增益發電機制，本工作報道的發電紗線無需借助與其他物體的相互作用即可自發電，并能夠應用于不同氣氛環境甚至是液體中。

圖2 .單電極勢阱模型與耦合增益發電機制

才下紡絲機，又上織布機

研究人員使用工業級的織樣機將發電紗線進行編織得到了具有彈性的發電織物，其同樣具有兩棲工作的能力。發電紗線亦可與其他市售纖維如尼龍纖維、聚丙烯腈纖維等共同編織，紡織品的透汽性、舒適性、發電功率便可有效調控。研究人員穿著發電織物制成的“能源衣”，展示了其為電子設備鋰電池充電、驅動無線信號傳輸系統、捕捉人體運動姿態等功能。

圖3.發電織物的編織過程與可穿戴應用演示

該研究工作得到了中央高校基本科研業務費學科交叉重點項目、中國科協青年人才托舉工程、東華大學勵志計劃等基金的大力資助。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-019-08846-2

課題組介紹

先進功能材料課題組(Advanced Functional Material Group，AFMG）（介紹網頁：afmg.dhu.edu.cn）隸屬東華大學材料學院，導師團隊包括：王宏志教授，李耀剛教授、張青紅研究員和侯成義副研究員。課題組一直從事智能變色/變形、能源轉換與存儲、傳感與催化等功能材料的研究，特別是針對智能服裝的應用，開發了一系列柔性可穿戴的功能材料與纖維器件。在Science子刊Science Advances、?Nature子刊Nature Communications、Chemical Reviews、Chemical Society Reviews、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS Nano、PNAS、Angewandte Chemie-International Edition等國際知名學術期刊發表論文200余篇，獲授權中國專利120余項。課題組積極開展國內外合作交流，目前已和劍橋大學，耶魯大學，美國西北大學，加州大學洛杉磯分校、丹麥科技大學、南洋理工大學、京都大學等世界一流高校開展合作交流，并聯合培養了多名博士研究生。

本文由東華大學王宏志課題組供稿，材料人編輯部編輯

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱: tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenVIP.