王中林院士等人 ACS Nano 報道：基于混合納米微摩擦電紗線（SETY）的器件用于能量收集和信號傳感

【背景介紹】

眾所周知，服裝是人類用來保護身體和裝飾的紡織產品。然而，傳統的衣服功能（保溫和裝飾）已不能滿足當今智能可穿戴電子設備的需求。由于傳統的傳感器和能量裝置體積大而難以集成到紡織品中，使得可穿戴電子紡織品（E-textiles）受到極大的關注。然而，目前所有這些柔性設備都存在需要頻繁且不便的充電等問題。摩擦電納米發電機（TENG）是一種自給自足的動力裝置，能以可持續和連續的方式將機械運動轉化為電能。因此，TENG紡織品的出現是能源領域的重大突破，為智能穿戴領域的發展提供了更多可能性。但開發能量收集紡織品必須克服以下挑戰：（1）TENG的大規模生產技術仍不成熟；（2）現有的纖維狀或紗線狀的TENG通常直徑大、長度短并且細度不均勻；（3）TENG紡織品的柔性度有待加強。雖然先前報道了纖維形或紗線形的TENG，但是很少關注與紡織技術的相容性以及對人體的舒適性。

【成果簡介】

基于此，中科院北京納米能源與系統研究所的王中林院士、廈門大學的郭文熹教授和東華大學的汪軍教授（共同通訊作者）聯合報道了利用輕便且連續的靜電紡絲技術制備了一種具有螺旋狀混合納米微核-殼纖維束的超輕單電極摩擦電紗（SETY）。對比常規制造技術制備的SETY器件，利用該技術制備的SETY器件具有超輕度（0.33 mg cm^-1）、額外的柔軟性和更小的尺寸（直徑350.66 μm）。基于這種紡織品的TENG，通過施加5 N、2.5 Hz機械驅動力就可以實現高性能的能量收集（40.8 V，0.705 μA cm^-2和9.513 nC cm^-2）。更重要的是，摩擦電紗線不僅可以根據不同的電子親和能，以及摩擦電紗線與傳統的紡織技術兼容編織成高密度的平紋織物，以收集生物機械能，而且還可以監視來自人或昆蟲的微弱信號。研究成果以題為“Continuous and Scalable Manufacture of Hybridized Nano-Micro Triboelectric Yarns for Energy Harvesting and Signal Sensing”發布在國際著名期刊ACS Nano上。

【圖文解讀】

圖一、納米微纖維雜化SETY的制備工藝步驟和圖像
（a）SETY制造過程的示意圖；

（b）柔性的SETY；

（c）長度為25 cm的SETY（整個設備）的重量僅為0.00833 g；

（d-e）不同尺寸的SETY表面的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。

圖二、表征SETY的細度和柔軟度
（a-c）SETY紗線與手指和頭發的視覺細度對比；

（d-e）納米纖維織物和涂膜的柔韌性對比；

（f-g）涂膜和納米纖維織物的拉伸機械性能和楊氏模量；

（h-i）經過多次大角度彎曲后，納米纖維織物包裹的紗線和具有相同材料的包覆核殼紗線的物理照片。

圖三、表征SETY的電氣化材料性能
（a）SETY的帶電材料的FTIR光譜；

（b）PAN＆PVDF=1: 3納米纖維織物的平均纖維直徑；

（c-f）包裹在導電紗周圍的納米纖維織物的放大SEM圖像；

（g-i）SETY的短路電流、開路電壓和短路充電量。

圖四、SETY的工作原理和基本性能
（a-b）SETY的示意圖；

（c-d）SETY橫截面的SEM圖像；

（e）SETY的作用原理；

（f）利用COMSOL軟件對SETY在不同狀態下的電位分布進行數值計算；

（g）在不同頻率下測得的SETY的短路電流、開路電壓和短路電荷量；

（h）在1 Hz固定頻率和外部負載電阻在200 KΩ-10 GΩ之間下測得的SETY的電流和功率變化。

圖五、SETY用于多功能檢查和能量收集
（a）用于織物成分檢查的SETY的示意圖；

（b）六種不同的織物樣品；

（c-d）六個不同織物樣品的開路電壓和短路電流檢查信號；

（e）通過改變觸摸指尖的數量，從不同的手指接觸區域產生的不同的電子信號；

（f）利用智能SETY進行摩爾斯電碼編譯；

（g）指尖上植入五個壓力傳感器的手套的照片；

（h）響應五個不同手指動作的五個SETY的實時電壓信號；

（i-l）毛蟲爬行識別即在爬行過程中腳或腹部與SETY的接觸。

圖六、用于生物力學傳感的智能紡織品
（a-b）8×8像素傳感結構的示意圖和圖像;

（c, e, g）手指輕輕壓在織物上的8×8像素感應織物照片；

（d, f, h-i）手指輕輕壓在織物上的相應電壓信號和3D輸出信號；

（j-k）由SETY制造的相對高密度的平紋織物；

（l-m）測量兩種不同昆蟲標本接觸的織物的靈敏度。

【總結】

綜上所述，作者通過一種方便且連續的靜電紡絲技術制成了平均直徑為350.66 μm的超輕納米微雜化核-殼結構的紗線（SETY）。其中，SETY產生高輸出：在施加2.5 Hz機械驅動器時，輸出為40.8 V、0.705 μA cm^-2和9.513 nC cm^-2。同時，紗線可用于識別常見的織物成分。此外，紗線具有足夠的柔韌性，可用于人機界面的能量收集或監測人體運動的信號。更重要的是，利用摩擦電紗線編織的平紋織物可以收集生物機械能并監視來自人或昆蟲的微弱信號。總之，通過紡織品的不同編織方法，紗線可以發展為多功能可穿戴電子紡織品，在智能紡織品的批量生產中具有潛在的應用價值。

文獻鏈接：Continuous and Scalable Manufacture of Hybridized Nano-Micro Triboelectric Yarns for Energy Harvesting and Signal Sensing（ACS Nano, 2020, DOI: 10.1021/acsnano.0c00524）

本文由CQR編譯。

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