最新AFM：基于生物相容性液態電解質開發可拉伸和形狀自適應的摩擦納米發電機

【引言】

近年來，物聯網和人工智能的需求促進了可穿戴電子器件的快速發展，其在電子皮膚、人類健康監測和機器人等領域得到了廣泛應用。然而，目前最先進的能源器件仍無法與可穿戴柔性電子設備的生物相容性、靈活性或延展性相匹配，缺乏可持續性和可靠的電力供應。因此，發展可拉伸和形狀自適應的能源器件具有重要意義。摩擦納米發電機(TENG)作為一種可持續的能量收集器件，其基于接觸起電和靜電感應效應的耦合，能夠將各種機械能轉化為電能。特別是在彎曲、扭曲和柔性等的各種變形下，仍可以維持TENG的穩定電學輸出性能。為了進一步提高可拉伸性，各種固態導電材料被用于摩擦納米發電機的工作電極，但由于它們的高楊氏模量、低機械韌性、和拉伸條件下電導率衰減厲害限制了固態導電電極在柔性可穿戴電子設備的大規模應用。因此，開發一種可拉伸、形狀自適應、長期穩定性、和生物相容性的液態電解質為工作電極的摩擦電納米發電機(TENG)，作為能量收集器和自供電傳感器具有重要意義，將能夠滿足可穿戴電子設備的快速增長。

近期，河南大學王新團隊提出利用液態電解質（碘化鉀甘油溶液）為工作電極，構建了柔性可拉伸的摩擦納米發電器件用于人體機械能的收集和人機交互，器件具有低成本、生物相容性和形狀自適應的特性。在單電極工作模式下，摩擦納米發電器件呈現了較高的電學輸出性能：開路電壓為300 V，短路電流密度為17.5 mA m^-2和最大輸出功率2.0 W m^-2。同時，摩擦納米發電器件在250%張力拉伸下維持穩定的電學輸出性能以及 10000次反復接觸-分離運動后仍能保持可靠和持久的電學信號輸出。該器件能夠有效收集人體運動機械能，直接驅動可穿戴設備（如電子表和計算器）工作，并且構建了基于該器件的可穿戴柔性觸摸平板和人體運動監視器，成功實現了人機交互。相關研究成果以“Stretchable and Shape-Adaptable Triboelectric Nanogenerator?Based on Biocompatible Liquid Electrolyte for Biomechanical?Energy Harvesting and Wearable Human–Machine Interaction”為題發表在Advanced?Functional Materials上。

【圖文導讀】

圖一、TENG的制作工藝及工作機理

（a）TENG的詳細制作過程的示意圖；

（b）TENG在初始狀態下和拉伸到300%下的照片；

（c）厚度為4.0 mm器件的應力應變曲線；

（d）TENG的單電極工作機理示意圖。

圖二、TENG的輸出性能

（a-c）在不同的運動頻率（0.5-2.5 Hz）下的電學輸出性能；

（d）輸出性能對外部負載電阻的依賴性；

（e）不同外部負載電阻下不同運動頻率的輸出功率；

（f）不同材料與器件接觸分離運動的輸出電壓。

圖三、不同拉伸狀態下TENG的輸出電學性能

（a-c）TENG在不同拉伸狀態下的V_oc、I_sc和Q_sc；

（d）TENG不同外部載荷下不同應變的輸出功率。

圖四、TENG為便攜式電子設備工作提供電能

（a）為便攜式電子設備供電的等效電路；

（b）對1.0 μF商用電容器充電時，充電電壓隨頻率增加而增大；

（c）TENG點亮超過150個發光二極管的示意圖；

（d-f）用手輕拍TENG的輸出性能；

（g、h）用手輕拍TENG產生電能為電子表和計算器供電的照片；

（i）為33 μF電容器的充電以及電容充電后為計算器供電的曲線。

圖五、TENG收集生物機械能的性能

（a、b）膝蓋彎曲和釋放下的V_oc和I_sc；

（c、d）肘部彎曲和釋放下的V_oc和I_sc；

（e、f）手腕彎曲和釋下的V_oc和I_sc。

圖六、人機交互

（a-c）商用電子模塊；

（d）LCD顯示屏模塊；

（e）人機交互等效電路示意圖；

（f）基于TENG的自供電可穿戴觸摸面板，通過微處理器與LCD顯示屏相連，敲擊觸摸面板能夠顯示預設的鍵入字母；

（g）基于TENG的自供電可穿戴身體運動計數器；

（h）手指鍵入可穿戴觸摸面板產生的模擬信號；

（i）電路處理產生的數字信號。

【小結】

總之，基于生物相容性和長期穩定的液態電解質為工作電極，開發了一種可拉伸形狀自適應的摩擦納米發電機，能夠收集人體運動機械能為可穿戴電子設備供電，并成功實現了可穿戴的人機交互。構建的TENG能夠實現高輸出性能(V_oc為300 V，J_sc為17.5 mA m^-2，和P_max為2.0 W m^-2)和在250%張力拉伸下穩定的電學信號輸出，且經過10000次反復接觸-分離運動循環后性能不衰減。此工作，基于碘化鉀-甘油溶液液態電解質的特性，成功構建了生物相容性、低成本、可拉伸性、和形狀自適應的摩擦納米發電機。同時，構建了不同形狀的TENG(包括塊狀和管狀)，都能夠收集人體運動機械能，用于驅動便攜式電子產品。另外，基于TENG的可穿戴柔性觸摸面板與微處理器相連，成功實現了人機交互功能。這項工作呈現液態電解質作為工作電極，構建柔性和可拉伸性的TENG的潛在應用前景，將在電子皮膚、可穿戴多功能智能電子產品、軟機器人、自供電生物醫學監控和其他領域具有重要的應用潛力。

文獻鏈接：“?Stretchable and Shape-Adaptable Triboelectric Nanogenerator?Based on Biocompatible Liquid Electrolyte for Biomechanical?Energy Harvesting and Wearable Human–Machine Interaction ”(Advanced Functional Materials，2020，10.1002/adfm.202007221)

團隊負責人簡介：

王新，博士，河南大學，教授，主要從事納米能源（納米發電）與柔性物理器件等領域的研究。現已主持國家自然科學基金項目3項，參與了包括國家自然科學基金委重點項目、863計劃、中科院重大研究計劃和先導專項等10余項。近年來共發表SCI收錄論文30余篇，包括有ACS Nano, J. Am. Chem. Soc., Adv. Funct. Mater., Nano Energy等國際知名雜志, 被引用次數超過2000余次，單篇最高引用次數超過200次；授權發明專利4項；榮獲中國科學院院長優秀獎、教育部自然科學二等獎、中國分析測試協會科學技術獎一等獎和中國科學院青年創新促進會會員，河南省物理學會理事，曾在美國佐治亞理工學院（師從王中林教授，中科院外籍院士）從事訪問研究工作，目前被聘為河南大學黃河學者特聘教授。

代表性論文：

1.Liu, W.; Wang, X.;* Song, Y.; Cao, R.; Wang, L.; Yan, Z.; Shan, G.* Self-Powered Forest Fire Alarm System Based on Impedance Matching Effect between Triboelectric Nanogenerator and Thermosensitive Sensor. Nano Energy, 2020, 73, 104843.

2.Wang, X.; Wen, Z.; Guo, H.; Wu, C.; He, X. Lin, L.; Cao, X.; and Wang, Z.L.* Fully Packaged Blue Energy Harvester by Hybridizing a Rolling Triboelectric Nanogenerator and an Electromagnetic Generator. ACS Nano, 2016, 11369-11376.

3.Wu, C.; ^??Wang, X.; ^??Lin, L.; Guo, H.; Wang, Z.L.* Paper-Based Triboelectric Nanogenerators Made of Stretchable Interlocking Kirigami Patterns. ACS Nano, 2016, 10, 4652-4659. (? Equally contributed).

4.Cao, R.；Sun, D.；Wang, L.; Yan, Z.; Liu, W.; Wang, X.;* Zhang, X.* J. Mater. Chem. A 2020, 8, 13207.

5.Wang, X.; Na, N.; Zhang, S.; Wu, Y.; Zhang, X.* Rapid Screening of Gold Catalysts by Chemiluminescence-based Array Imaging. J. Am. Chem. Soc, 2007, 129, 6062-6063.

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