電子科大&中國地大（北京）Nano Energy：由抗菌溴丁基橡膠組裝的摩擦電納米發電機制成的耐磨自供電傳感器

【背景介紹】

隨著納米技術的發展，出現了納米發電機。其中，摩擦電納米發電機（TENGs）具有可廣泛應用且易于制造的優點。根據TENGs的不同結構，可分為四種基本模式：垂直接觸分離（CS）模式、面內接觸滑動（LS）模式、單電極（SE）模式和獨立式摩擦電層（FT）模式。由于TENGs具有設計靈活、價格低廉、輸出性能穩定等優點，適用于體內和體外醫學監測。TENGs由柔性材料組成時，可以用作自供電的人體步態分析傳感器，可靈活地適應人體的各種運動，具有良好的應用前景。然而，由于可穿戴式傳感器與人類皮膚長時間接觸并暴露于空氣環境中，而很容易成為細菌生長的溫床，因此抗菌性能已成為將TENGs用作可穿戴式傳感器的重要前提。目前，常見的柔性抗菌材料主要是通過抗生素等制成的復合抗菌填料，但抗菌填料易于從復合材料中逐漸釋放出來，與人體接觸時可能會產生毒性，并且其抗菌性能也將逐漸下降，從而難以實現長期抗菌性能。

【成果簡介】

近日，電子科技大學張巖教授和中國地質大學（北京）郝向陽副教授（共同通訊作者）等人報道了一種柔性溴化丁基橡膠（BIIR）和聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）用作摩擦材料，并且在進行各種成膜和表面粗糙化處理后，組裝成拱形垂直接觸分離式摩擦電納米發電機（CS-TENGs）。為了獲得最佳的發電效果，作者研究了摩擦材料的處理和組裝方法。此外，由于BIIR薄膜的生物相容性和固有的抗菌性能，制造出來的摩擦電納米發電機也被應用于可穿戴式自供電傳感器設備，證明了其在識別和步態分析領域的潛力。研究成果以題為“Wearable and self-powered sensors made by triboelectric nanogenerators assembled from antibacterial bromobutyl rubber”發布在國際著名期刊Nano Energy上。

【圖文解讀】

圖一、TENG的組裝
A）由不同處理方法制備的BIIR和PET薄膜組裝而成的拱形接觸式TENG的示意圖；

B）由BIIR和PET膜組裝的接觸分離式TENG的工作模式示意圖；

C）用BIIR和PET膠片組裝的TENG的實際設備照片。

圖二、不同方法制備的BIIR膜的SEM圖像
A）靜電紡絲；

B）涂膜；

C）具有線形結構的壓縮成型；

D）具有點狀結構的壓縮成型；

E）線形模具的光學顯微鏡圖像；

F）點狀模具。

圖三、不同方法制備的PET膜的SEM圖像
A）砂紙打磨；

B）100目不銹鋼絲網篩壓制；

C）200目不銹鋼絲網篩壓制；

D）300目不銹鋼絲網篩壓。

圖四、在無抗菌填料的情況下，靜電紡絲制備的BIIR膜在不同細菌培養物中的抗菌性能
A）金黃色葡萄球菌；

B）大腸桿菌。

圖五、在40 N的力下，由不同處理的BIIR膜和未經表面處理的PET膜組裝的TENG的開路電壓
A）靜電紡絲制備的BIIR膜；

B）涂膜制備的BIIR膜；

C）具有線形結構的壓縮成型的BIIR膜；

D）具有點狀結構的壓縮成型的BIIR膜。

圖六、在40?N的力下，不同方法處理的PET膜與靜電紡絲法制備的BIIR膜組裝成TENG的開路電壓
A）通過砂紙打磨制備PET薄膜；

B）通過壓制100目不銹鋼絲網來進行絲網壓制PET薄膜；

C）通過壓制200目不銹鋼絲網來進行絲網壓制PET薄膜；

D）通過壓制300目不銹鋼絲網來進行絲網壓制PET薄膜；

E）由靜電紡方法制備的BIIR薄膜和300目不銹鋼絲網壓制的PET組裝成TENG的開路電壓；

F）不同施加力下，由靜電紡方法制備的BIIR薄膜和300目不銹鋼絲網壓制的PET組裝成TENG的短路電流；

G）在800次連續工作循環中，由靜電紡方法制備的BIIR薄膜和300目不銹鋼絲網壓制的PET組裝成TENG的機械耐久性。

圖七、制備好的TENG鞋墊用于身份識別和步態分析
A-B）TENG鞋墊被不同的人用于身份識別：男測試員、女測試員；

C-F）TENG鞋墊用于步態分析：輕快行走、慢走、奔跑和跳躍；

G-H）當腳步緩慢或快速時，放大檢測到的信號。

【小結】

綜上所述，作者開發了由BIIR和PET組裝而成的拱形接觸式分離膜，其具有安全、無毒、與人體生物相容的特點。作者采用不同的方法制備了BIIR薄膜，并且在兩種摩擦材料表面形成粗糙表面，以提高其電輸出性能。在制備的TENG中，利用靜電紡絲法制備的BIIR膜與300目304不銹鋼絲網復合PET膜組裝成的TENG在40 N的力作用下，最大輸出電壓可達40 V，而靜電紡絲法制備的BIIR薄膜具有良好的固有抗菌性能，對其在人體自供電傳感器中的應用具有重要意義。TENG被用作自供電傳感器，用于檢測人體運動狀態，特別是步態分析。TENG可用于步態識別，不同人群的步態曲線有明顯差異。同時，TENG能檢測出行走、跑步和跳躍等不同的運動狀態，每種活動的步態曲線都有顯著差異。總之，該研究為TENGs的材料和設計提供了深入的見解，并且將促進自供電可穿戴設備的發展，以供實際應用。

文獻鏈接：Wearable and self-powered sensors made by triboelectric nanogenerators assembled from antibacterial bromobutyl rubber. Nano Energy, 2021, DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.105769.

通訊作者簡介

張巖，電子科技大學物理學院教授，應用物理系主任。四川省學術與技術帶頭人，IEEE高級會員。Science Bulletin編委，英國物理學會中國編輯咨詢委員會委員（ IOP China Editorial Advisory Board）。
在量子壓電電子學、壓電電子學與壓電光電子學理論、納米發電機自驅動理論與實驗領域相關成果發表在Nano Energy、 Advanced Materials、Energy Environ. Sci.、 Nano Lett、ACS Nano、Phys. Rev. Appl.、Appl. Phys. Lett.、Phys. Rev. E、等期刊。主持國家火炬計劃項目（2004EB011391），甘肅省科技廳科技成果鑒定兩項（甘科鑒字（2003）第107號、第109號），甘肅省新產品鑒定（甘經貿（2003）產鑒字2-15號）。申請美國發明專利15項，授權4項，申請中國發明專利18項，授權6項。項目多次獲得蘭州軍區與物資油料部嘉獎，榮獲蘭州軍區科技油料雙星獎。

郝向陽，中國地質大學（北京）材料科學與工程學院副教授，碩士導師，中國建筑材料聯合會粉體技術分會理事，北京生物材料與人工器官專委會委員。北京理工大學博士，清華大學材料學院博士后，教育部公派美國佐治亞理工材料學院訪問學者。

（1）團隊研究方向：納米復合材料(纖維、塑料、橡膠及器件)，固廢復合材料（木塑復合材料、石塑復合材料等）。

（2）相關優質文獻推薦：

1）《納米科學與技術》(32萬字) 北京:科學出版社.2002,8，并在臺灣出版發行(世茂出版社，2003,12)。該書被臺灣國立臺中圖書館, 陸軍官校資訊圖書中心等圖書館收藏, 并且被臺灣多所大學和研究院的博士碩士答辯論文引用。本書是四川大學, 北京理工大學的正式教材，暨南大學博士研究生入學考試參考書，是以下大學的教學參考書：臺灣國立中山大學奈米科技研發中心，中南大學，武漢大學，西安交通大學。師昌緒院士為本書作序,并在中國科技成果2005(6):55書評給予較高評價。

2）Mingchao Zhang, Chunya Wang, Huimin Wang, Muqiang Jian, Xiangyang Hao and Yingying Zhang，Carbonized Cotton Fabric for High-Performance Wearable Strain Sensors, Advanced Functional Materials,??2017, 27(2):1604795.（進入TOP10, 熱點文章排行榜第6位）

本文由CQR編譯。

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