聶雙喜教授團隊Small：球形多重網絡結構的摩擦電材料應用于非接觸運動傳感

【導讀】

非接觸式摩擦納米發電機(TENG)可有效避免摩擦材料物理接觸和減少摩擦，確保TENG能夠穩定、高效的運行。得益于這些獨特優勢，近年來其在非接觸傳感領域得到了廣泛的應用。然而，非接觸式摩擦納米發電機遇到的一個共同的關鍵挑戰是隨著摩擦材料表面分離距離的增加，電輸出性能就會減少，從而制約著其在非接觸傳感領域進一步的應用。所以采用優良的技術方法和材料開發具有高電荷密度的摩擦電材料顯得及其迫切。

【成果掠影】

近日，聶雙喜教授團隊通過在靜電紡絲過程中控制旋轉射流的瑞利不穩定性變形和蒸汽誘導相分離，制備了一種球形多重物理網絡結構的PVDF@Ti₃C₂T_x復合膜作為自供電非接觸傳感器摩擦電材料。將該摩擦電材料用于自供電非接觸傳感器中具有良好的速度靈敏度，還能在70厘米范圍內準確識別人體跑步、跳躍和步行等運動狀態，并將信號以不同波普形式呈現，實現了對人體狀態的可視化實時監測。相關成果以“Spheres Multiple Physical Network-Based Triboelectric Materials for Self-Powered Contactless Sensing”為題發表在Small上。

【核心創新點】

1.通過在靜電紡絲過程中控制旋轉射流的瑞利不穩定性變形和蒸汽誘導相分離，制備了一種球形多重物理網絡結構的PVDF@Ti₃C₂T_x復合膜，解決了摩擦電材料表面電性能輸出低的難題。

2.巧妙利用靜電感應原理，將 PVDF@Ti₃C₂T_x復合膜作為摩擦電材料運用在自供電非接觸傳感中。

3.由該復合膜組裝的自供電非接觸傳感器具有良好的速度靈敏度(175 Vs m^-1)，還能在70厘米范圍內準確識別人體跑步(55 mV)、跳躍(105 mV)和步行(40 mV)等運動狀態，并將信號以不同波普形式呈現。

【圖文導讀】

圖1.球體多物理網絡形成過程示意圖。a)旋轉流體形成軸對稱射流，并進一步轉化為多孔球體。b)帶電射流的不穩定性模型。c)射流RI變形過程。d-g) 18、17、16和15 kV電壓下球體形態的SEM圖像。

圖2. PVDF@Ti₃C₂T_x紡絲薄膜的表征。a)靜電紡絲PVDF@Ti₃C₂T_x紡絲膜形成過程示意圖。b)不同Ti₃C₂T_x條件下多孔微球膜的XRD譜圖。c)多孔微球薄膜在不同Ti₃C₂T_x存在下的拉曼光譜。d) PVDF@Ti₃C₂T_x紡絲薄膜的高分辨率C1s峰。e)不同Ti₃C₂T_x條件下多孔微球膜的電導率比較。f)比較不同Ti₃C₂T_x條件下多孔微球膜的表面疏水性。g)兩種膜上多孔微球表面的粗糙度。

圖3. PVDF@Ti₃C₂T_x紡絲膜基TENGs的輸出性能。a) TENG結構示意圖。b)不同摩擦電材料的電荷密度。c)不同孔徑薄膜的電荷密度。d)不同球形直徑薄膜的輸出電荷密度。e)不同濕度條件下薄膜的輸出電荷密度。f)不同類型TENGs在室溫下的充電曲線。g)將本工作中TENGs的峰值電荷密度性能與之前報道的類似結果進行比較。h)不同摩擦電材料下TENG在不同負載條件下的負載輸出功率曲線。i)將本工作中TENGs的功率密度性能與以往類似報告進行比較。

圖4. 傳感器設計及工作原理。a) 初步表征的實驗裝置。b) 由帶正電或負電的物體移動而產生的電流。c) PVDF@Ti₃C₂T_x傳感器距離變化引起的電壓和電荷輸出。d) PVDF@Ti₃C₂T_x傳感器面積變化導致的電壓和電荷輸出。e) 不同活動和距離的電壓輸出。f) 不同摩擦電材料的電壓輸出。

圖5. 自供電非接觸傳感器應用于人體運動監測。a) 不同運動姿勢通過傳感器的示意圖。b) 基于速度的峰值電壓響應擬合曲線。c) 步行通過傳感器時的輸出信號。d) 跑步通過傳感器時的輸出信號。e) 快速步行通過傳感器時的輸出信號。f) 當一個人摔倒時，兩個不同的傳感器識別信息。g) 當一個人從一個地方移動到另一個地方時，室內導航也可以被識別。

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