ACS Nano 打字也能發電？！ 王中林教授研發可發電的柔性鍵盤套

材料牛注：在現代社會，每天坐在電腦前“碼字”已成為廣大“科研狗”、“程序猿”的日常。而你可曾設想過一邊打字，一邊發電？沒錯，使用一種基于摩擦納米發電機的柔性鍵盤套，有望將我們敲擊鍵盤的機械能轉換成電能！

【成果簡介】

關于摩擦納米發電機（TENG），相信大家已經有所了解，小編在前幾天的一篇綜述導讀（Adv. Energy Mater. 王中林教授關于摩擦納米發電機的最新綜述）中已較為詳細地介紹了TENG的多種應用。近日，美國佐治亞理工學院和中國科學院北京納米能源與系統研究所的王中林教授帶領的納米研究團隊在TENGs的應用上又出新成果！他們使用彈性體材料制備出基于TENG的柔性鍵盤套，可實現從鍵盤和按鈕中收集生物機械能。該成果以“All-Elastomer-Based Triboelectric Nanogenerator as a Keyboard Cover To Harvest Typing Energy”為題于8月4日在線發表于ACS Nano期刊上。來自清華大學、佐治亞理工學院的Shengming Li和來自佐治亞理工學院的Wenbo Peng和Jie Wang為文章的共同第一作者。下面我們來一睹為快！

王中林教授研究團隊完全使用彈性體材料制備出一個高度柔性的TENG，將其作為傳統鍵盤的防塵套，可用來收集打字產生的生物機械能。由于結構和材料上的創新，該彈性體TENG具有一種雙模式工作機制，其轉移電荷密度高達～140μC/m2。研究人員還研究了不同結構參數對其性能的影響，以便優化它在使用時的輸出特性。完全封裝的鍵盤形TENG被進一步與角狀聚吡咯基超級電容器集成為一個自供電系統。以正常速度打字1小時，可以儲存～8×10?4 J的電能，這足以驅動電子溫度計或比重計。該鍵盤套還表現出優異的長期穩定性和防水性。此外，由于創新的結構設計，該TENG基鍵盤套的電輸出對環境和表面條件不敏感，這使其有助于研究不同操作者的打字習慣。

【圖文導讀】

圖1：可從鍵盤和按鈕收集能量的雙模式彈性體TENG的基本結構、工作原理和輸出特性

（a）彈性體TENG的結構設計示意圖。左邊的插圖是介質膜的SEM俯視圖，右邊的插圖是CB/CNT混合物（彈性體電極的導電成分）的SEM照片；
（b）彈性體TENG的工作原理示意圖，五種連續狀態的電子流示意圖，其中，后四個狀態形成一個循環；
（c）帶上丁腈手套敲擊TENG至最大形變所得的ΔQSC?t曲線；
（d）帶上丁腈手套敲擊TENG至最大形變所得的VOC?t曲線。

圖2：具有不同結構參數的彈性體TENG的電輸出（短路轉移電荷量ΔQSC和短路轉移電荷密度ΔσSC）

（a）單個TENG鍵的結構和尺寸示意圖；
（b，c）不同間隙距離的TENGs的對比圖及其ΔQSC和ΔσSC隨間隙距離的變化；
（d，e）不同結構材料（具有不同交聯密度的硅酮，導致不同的A型邵氏硬度和粘度）制備的TENGs的對比圖及其ΔQSC和ΔσSC隨A型邵氏硬度的變化；
（f，g）不同頂層結構厚度的TENGs的對比圖及其ΔQSC和ΔσSC隨厚度的變化。

圖3：具有不同結構參數的彈性體TENG在不同敲擊力（F）和敲擊頻率（f）下的電輸出（短路轉移電荷量ΔQSC）

（a-c）具有不同的間隙距離（a）、結構材料硬度（b）和頂層結構厚度（c）的TENGs的歸一化ΔQSC-F關系曲線；
（d-f）具有不同的間隙距離（d）、結構材料硬度（e）和頂層結構厚度（f）的TENGs的歸一化ΔQSC-f關系曲線。

圖4：不同敲擊頻率下介電材料對電輸出（ΔQSC和歸一化的ΔQSC）的影響

（a）采用氧等離子體處理的Ecoflex 0010、Ecoflex 0050和Ecoflex 0050作為介電層的TENGs的ΔQSC對比圖；
（b）采用氧等離子體處理的Ecoflex 0010、Ecoflex 0050和Ecoflex 0050作為介電層的TENGs在不同敲擊頻率（f）下的歸一化ΔQSC對比圖；
（c）采用氧等離子體處理的Ecoflex 0010、Ecoflex 0050和Ecoflex 0050作為介電層的TENGs的標準化ΔQSC-t輸出曲線；
（d）采用氧等離子體處理對硅酮（Ecoflex 0050）進行改性的示意圖。

圖5：基于彈性體TENG與相應的自充電電力系統的鍵盤套的輸出性能、應用和特性

（a）TENG基鍵盤套的照片；
（b）不同敲擊頻率下自充電電力系統（敲擊TENG實現充電）中的儲能元件（角狀聚吡咯（h-PPy）基超級電容器）的電壓；
（c）照片顯示，電子溫度計/濕度計已經由從打字（以6Hz的頻率在TENG基鍵盤套上打字1小時）所收集的能量實現充電；
（d）TENG的長期穩定性試驗結果；
（e）TENG基鍵盤套在清洗前后的電輸出（ΔQSC）。插圖證明它可以點亮LEDs；
（f）兩個不同的操作者，一個帶上丁腈手套，一個不帶手套，在TENG基鍵盤套上連續五遍打出同一個詞“TYPING”所得到的電輸出。

文獻鏈接：All-Elastomer-Based Triboelectric Nanogenerator as a Keyboard Cover To Harvest Typing Energy?(ACS Nano, 2016, DOI: 10.1021/acsnano.6b03926）

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