Chem. Eng. J.綜述：用于可穿戴電子設備和自供電傳感的靜電紡絲納米纖維TENGs

一、【導讀】

近年來，隨著電子器件向著小型化、功能化的方向邁進，可穿戴電子器件受到越來越多的關注，但是可穿戴電子器件的能源供給問題目前仍亟待解決。摩擦納米發電機（TENGs）依賴于材料之間的靜電荷，能將機械振動轉化為電能，具有高瞬時功率輸出和效率、低成本、易于制造，重量輕，耐磨等特點，可以滿足未來對清潔和可持續技術的需求。TENGs的宏觀性能往往是由表面和材料性能在納米尺度上的多方面作用決定的，其中，通過紡織或纖維TENGs為相對低功率的可穿戴電子傳感器及設備提供能源是TENGs一個可行的、應用廣泛的領域。

二、【成果掠影】

近日，愛爾蘭斯萊戈大西洋理工大學Aswathy Babu研究員、Suresh C. Pillai教授等人對靜電紡絲納米纖維TENGs進行了系統性的綜述。靜電紡絲是一種低成本、高效、大規模生產納米纖維的方法，電紡納米纖維則有著高比表面積、導電性和超高柔韌性等特點。對于需要靈活性、柔軟性、重量輕等性能的可穿戴電子產品來說，基于電紡納米纖維的TENGs有著非常廣泛的應用。本文著重介紹了靜電紡絲制備TENG及其在材料設計、功能和性能方面的研究進展，還詳細討論了用于柔性和可穿戴電子產品的靜電紡絲TENGs和自供電傳感器的最新研究，從而對下一代基于納米纖維的TENG器件的設計制作進行啟發，本綜述以“Electrospun nanofiber based TENGs for wearable electronics and self-powered sensing”為題發表在Chemical Engineering Journal期刊上。

三、【核心創新點】

本文綜述了靜電紡絲中摩擦電聚合物的研究進展，詳細介紹了制備靜電紡絲TENGs的不同方法，并討論了可穿戴電子器件的應用前景以及基于靜電紡絲TENGs的自供電傳感器所面臨的挑戰和未來展望。

四、【數據概覽】

圖一：(A) TENGs的基本工作模式：(a)垂直接觸分離模式，(b)橫向滑動模式，(c)單電極模式，(d)獨立式摩擦電層模式。(B)?AlphaLab開發的摩擦電工作臺。(C)圖示：(a)基本靜電紡絲裝置，(b)靜電紡絲聚氨酯(PU)纖維網和(c)靜電紡絲PU纖維網的SEM圖像。?2023 The author(s)

圖二：(A) (a-b)靜電紡絲PI納米纖維膜的微觀結構：摩擦層類型對(c) V_OC和(d) I_SC的影響。(B) 基于靈活多孔氣凝膠和靜電紡絲納米纖維的能量收集和敏感自供電傳感的摩擦電納米發電機。(C) (a) 基于封閉納米孔靜電紡膜的TENG制造原理圖；(b-c)?帶有不同表面電荷的靜電紡聚合物膜在PVDF和PHBV膜上處理前后的示意圖；(d-e) 靜電紡聚合物膜在PVDF和PHBV膜上處理前后的FE-SEM圖；(f-g) SP-TENGs在PVDF和PHBV膜處理前后的最佳輸出電壓。(D) 靜電紡PMMA纖維的掃描電鏡圖像(a) 正極性；(b) 負極性；(c) 纖維平均直徑直方圖；(d) 單個PMMA聚合物鏈單元的結構示意圖。?2023 The author(s)

圖三：(A) PVDF-AgNW和尼龍納米纖維靜電紡絲TENG裝置的原理圖、形貌(SEM和TEM圖像)、表面電位、應用于PVDF溶液的靜電紡絲過程示意圖和工作模式示意圖。(B)靜電紡絲法制備PVDF/GQD復合NFs基TENG器件的工藝及結構。(C) (a)描述MXene集成到PVDF基質的化學結構和方案，(b)靜電紡尼龍6/6納米纖維的FESEM圖像，(C) 靜電紡PVDF納米纖維、(d) PMC納米纖維和(e-f) PMC納米纖維的TEM圖像，顯示MXene納米片嵌入PVDF基質，(g)含有MXene的PMC納米纖維的EDS元素映射圖像。(D)靜電紡絲法制備Fe₃O₄NP/PVDF復合材料NFs和TENG器件結構。?2023 The author(s)

圖四：(A) (a)基于PVDF靜電紡絲納米纖維的機織織物TENG制作流程圖，(b) PVDF靜電紡絲纖維制成的機織織物圖像。(B) PVDF/ZnO NWs基靜電紡納米復合材料的制備。(C) (a) 基于核殼結構的摩擦電紗，(b) 靜電紡絲裝置，(c-d) 制備的核殼紗形貌，(e) 核殼紗實際圖像。(D) (a) SETY的工作原理和示意圖，(b) 可拉伸的SETY，(c) 使用掃描電子顯微鏡看到的SETY橫截面，(e-f) 由SETY制作的平面織物，(f) 織物被昆蟲接觸的靈敏度測量。(E) (a) 使用SETY檢查紡織品成分，(b) 布料樣本和(c-d) 不同織物樣品的電輸出。?2023 The author(s)

圖五：(A) 鐵電極化對摩擦電表面電位和電荷密度的影響，(a-c)具有不同電負材料的Fe-TENG的原理圖，(B) (a-d) 原理圖，(e-g) SEM圖像，(h) BN-TENG中壓力處理PVDF納米纖維的工作原理。(C) (a-d) BN-TENG和 (e-f) BN-TENG的操作機制和電氣輸出，可以為電子設備供電，如:計算器、溫度計、遙控器和鋰離子電池。?2023 The author(s)

圖六：(A) WB-TENG制備工藝示意圖，(b) WB-TENG的SEM圖像和 (c) 說明PHFC薄膜疏水性能的圖像。(B) 基于靜電紡絲PVDF-石墨烯納米片復合納米纖維的TENG能量收集示意圖。(C) 用富氧聚合物作為機械能收獲器的靜電紡正摩擦材料示意圖。(D) 用于TENG應用的靜電紡絲聚合物中液態金屬顆粒的電荷捕獲和效應示意圖。?2023 The author(s)

圖七：(A)多層TENG中的摩擦電荷轉移和存儲過程，(b-e)含炭黑的靜電紡CA、PES、PS納米纖維的SEM圖像。(B) 多層復合TENG原理圖和光學圖像。(C) (a-c) 多層TENG電輸出特性，(d-f) 演示不同的人類生物力學能量收集應用。(D) (a) 可拉伸透明TENG的制備工藝示意圖，(b) MXene-AgNWs-MXene-PU納米纖維雜化電極和(c) AgNWs-PU納米纖維電極的SEM圖像，(D) MXene、AgNWs和PU納米纖維的界面相互作用機理圖。(E)用氨基修飾納米纖維膜表面增加疏水性的策略。?2023 The author(s)

圖八：(A) SI-TENG作為一種用于娛樂游戲的觸覺傳感器進行了演示: (a) 3×3 SI-TENG陣列的原理圖，(b) 3×3 SI-TENG陣列的結構，(c) SI-TENG與手耦合的示意圖，(d)傳感器系統電路原理圖，(e) SI-TENG陣列如何控制游戲角色的運動演示以及(f) 實時輸出電壓的截圖。(B)基于自鏈接可拉伸納米纖維(SNF-TENG)的TENG結構和特性:(a) SNF-TENG制造過程的示意圖描述，(B) SNF-TENG結構的三明治狀結構，(c)表面形貌和截面掃描電鏡圖片，(d)循環拉伸特性，(e-g)展示SNF-TENG的拉伸性、柔韌性、疏水性和可洗性的照片。?2023 The author(s)

圖九：(A) 基于PVDF/Ag NWs的壓力傳感器的設計與結構。(B) 基于TENG的PVDF靜電紡絲納米纖維的制備。(C) (a) FSTENG制作過程的示意圖，(b)制備好的pPDMS薄膜的照片，(c) FSTENG貼在手指關節上的照片，(d) FSTENG貼在鞋墊上的照片，(e) FSTENG貼在葉片表面的照片，(f) FSTENG對拉伸應變的電響應。(D) FSTENG的應用:(a)不同手指彎曲頻率和(b)不同行走狀態下的FSTENG電壓輸出信號，(c) 348個led照明前后的FSTENG光學圖像，(d -e) FSTENG作為風速傳感器的功能機制以及(f) FSTENG在不同風速下的輸出電壓信號。?2023 The author(s)

圖十：(A) (a) 全纖維混合摩擦電納米發電機原理圖，(b)絲納米纖維的掃描電鏡圖像。(B) (a)可穿戴式TENG的結構設計和(b)靈活性。(C) (a-d)聚DADMAC /尼龍-11納米纖維膜的制備和表征，(e)襪子上的TENG測試，(f-i)人體運動電壓輸出，(j)自供電運動監測的設置，(k)物聯網應用的人體運動跟蹤，(l)智能手機啟用的有源人體運動傳感器。?2023 The author(s)

五、【成果啟示】

利用納米纖維將機械能轉化為電能，用于自供電有源系統及設備，是納米能源領域的一個重要里程碑。使用基于納米纖維的TENG進行的微尺度機械能收集可以按比例放大，用來提供高體積功率密度，在宏觀尺度上轉換率高達85%。盡管這仍然低于傳統薄膜?TENG 的可用輸出，但這對于纖維界面來說是一個高輸出。TENG 設備具有許多吸引人的特性：重量輕、靈活性、透氣性、形狀一致性，甚至可洗性。人體運動、風振動、水流、波浪運動和輪胎旋轉等都可以用于下一代 TENGs 的發電。基于納米纖維的 TENG 設備將更大規模地用于創新織物和下一代可穿戴電子產品。有潛力為可穿戴電子設備提供動力的靜電紡絲納米發電機要付諸實踐還有很長的路要走，例如使用靜電紡絲技術的靈活性和形態控制能力來生成更優化的材料和設備結構等。現在可以通過使用新型纖維基材料來提高納米發電機的輸出性能。然而，電紡纖維可能會隨著時間的推移而變形并削弱設備，并且它們與基材的結合強度是一個問題。在制作高穩定性設備時，必須考慮材料設計，還需要深入研究納米發電機在可穿戴電子產品（尤其是耐用性）中的實際應用。所有這些挑戰領域的進步都可能導致產量增加以及耐用性的提高，從而加速推出先進的基于納米纖維的?TENG 作為可穿戴行業的電池替代品。

原文詳情：Aswathy, B., Irthasa, A., Ryan, W.?et al.?Electrospun nanofiber based TENGs for wearable electronics and self-powered sensing.?Chem. Eng. J. (2023). https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.139060

本文由煎蛋白供稿