用牛奶做摩擦电材料用于收集人体运动机械能的高效摩擦纳米发电机

在过去十年中,随着物联网(IoT)和人工智能技术的发展,信息产业出现了一种新趋势。在这个新时代,智能可穿戴电子产品正在影响人类生活的方方面面,如个人信息和通信安全,健康监测和多功能移动娱乐等。此外,先进功能材料领域的重大创新赋予电子器件独特的皮肤特性,如柔韧性和拉伸性,这促进了可穿戴电子产品的发展。然而,这些柔性可穿戴电子设备的电源非常重要。但是传统的固态电池具有明显的缺点,例如重量大,尺寸大和循环再充电,并且它们对人类健康构成了巨大风险。
基于摩擦起电和静电感应效应的摩擦纳米发电机(TENG)已经被证明是可以有效将环境机械能转换为电能,特别是在低频和低振幅的机械运动方面。然而,摩擦电材料的选择是首要考虑因素,因为摩擦电系列在产生摩擦电荷方面起着关键作用。两种摩擦电材料失去或获得电荷的能力将会影响TENG的输出性能。
近日,浙江大学海洋学院海洋电子与智能系统研究所朱智源博士研究小组,研发了结构简单、体积小、成本低、作用速度快的新型可收集人体运动能的高效摩擦纳米发电机。这项研究发表在国际著名期刊《纳米能源》(Nano Energy)上,论文题目为“Milk-based triboelectric nanogenerator on paper for harvesting energy from human body motion”论文第一作者为浙江大学海洋学院2017级船舶与海洋工程专业硕士研究生夏克泉,通讯作者为青年教师朱智源博士,共同作者包括杜超林,傅疆铭等。
在这项研究中,作者首次提出了一种新型的牛奶纸基摩擦纳米发电机(MP-TENG)。摩擦电对是由固体牛奶薄膜和聚四氟乙烯(PTFE)胶带组成。众所周知,牛奶是一种营养价值极高的饮品,很多人作为早餐食用。作为一种纯天然、无污染的绿色环保型材料,牛奶不仅对环境友好,而且对我们的身体健康安全无害。同时,它还能够被环境自然消化、分解、吸收,不会造成白色污染,能够融入自然循环中。此外,纸,作为一部日常办公用品,具有轻便灵活、可回收、易折叠、易剪裁、一次性和环境友好等优点。最值得注意的是,牛奶很容易附着在纸张表面。因此,牛奶薄膜的制备不需要昂贵的设备和复杂的制作工艺,只需要用A4纸作为基底,然后将牛奶滴落在纸上,待其干燥便完成了牛奶薄膜,该单步工艺使得摩擦电材料的制备更简化,更容易。此外,为了收集人体不同部位由于运动产生的机械能,提出了一种组装式折纸和剪纸架构,具体而言,它是一种以卡纸作为支撑材料,通过巧妙的配置摩擦电材料,可以提供三种工作模式的串联式菱形堆叠结构。
值得一提的是,在这项工作中,研究人员首次采用了牛奶作为摩擦电材料,然而,在之前的工作中,纸,由于较强的失电子能力同样可以作为摩擦电材料,因此,有必要研究纸和牛奶对摩擦纳米发电机的输出性能的影响。一系列实验表明,基于牛奶的摩擦纳米发电机具有优异的输出性能,并确立了牛奶由于出色的失电子能力,在摩擦电序列中占据顶级位置。
为了进一步提升发电机的输出性能,研究人员设计了一种砂纸打磨工艺来提高PTFE胶带的表面粗糙度。实验结果表明这是一种有效的提升摩擦纳米发电机输出性能的方法。
通过一系列的实验测试,在手掌按压作用下MP-TENG的最大短路电流和开路电压可以达到93μA、392V,功率密度甚至可以达到583.75μW/cm2, 除了具备三种工作模式用以收集腿部运动、手臂运动和腰部运动产生的机械能之外,MP-TENG还可用于牛奶浓度的检测;放置在鞋子中,还可以用于识别人体运动状态(例如:步行、跑步、跳跃),从而拓展了摩擦纳米发电机在微能源收集,食品质量检测、智能识别等领域的应用。
用牛奶做摩擦电材料用于收集人体运动机械能的高效摩擦纳米发电机图1:MP-TENG的制作过程。
图1展示了MP-TENG的制作过程。首先,将办公用的A4纸剪成尺寸为2cm×4cm的纸片用作基底。用毛刷将导电油墨均匀地涂在纸基材的表面上,并干燥,如图1(a)(1, 2, 5)所示;将一片PTFE胶带粘贴到导电油墨表面上,并切开缝隙以进行装配,如图1(a)(3,4)所示;然后,将牛奶(0.3mL,25℃)滴在另外一片纸基底的表面上,放在烘箱中干燥(干燥温度,相对湿度和干燥时间分别设定为60℃,30%和1h),如图1(a)(6,7)所示;随后,在附着牛奶薄膜的纸基底上切开一条缝隙用以装配,如图1(a)(8)所示;随后,取两条尺寸为2cm×16cm的纸板用作支撑结构;在每条纸板上切割出四个平行的缝隙用以装配,如图1(b)(1,2)所示。然后,将粘贴有PTFE带和附着牛奶薄膜的纸基底粘贴在两条纸板上,如图1(c)(1,2)所示。图1(c)(1)中的插图显示了纸板表面上的结构配置。最后,将两条纸板折叠成锯齿形结构并通过裂缝组装,如图1(c)(3,4)所示。
用牛奶做摩擦电材料用于收集人体运动机械能的高效摩擦纳米发电机图2:(a)堆叠MP-TENG的示意图;(b,c,d)具有一个,两个和三个工作单元的三个堆叠MP-TENG的短路电流(ISC); (e)对三个MP-TENG的Isc进行比较;(f)MP-TENG的三种工作模式。
TENG的发展面临诸多挑战,其中最要的便是如何提升其输出性能,特别是输出电流。
为此,如图2(a)所示,研究人员设计并制造了一种基于组装式折纸和剪纸架构的串联式菱形堆叠结构。与之前的TENG 相比,这种设计提供了一种耐用且坚固的支撑结构,由于延伸的支撑脚,该支撑结构可以在垂直方向上支撑自身。同时,在其两侧增加了多个摩擦电对,以增加接触面积来提高输出性能。除此之外,这种堆叠结构不仅增加了输出电流,而且还通过增加器件面积最大限度地利用了所占据的空间。另外,比较了不同单元数的Isc,如图2(b-e)所示,随着连接的工作单元数量的增加,Isc随之增加。如图2(f)所示,提出的MP-TENG可以提供三种工作模式用来收集不同工作环境下产生的机械能。
用牛奶做摩擦电材料用于收集人体运动机械能的高效摩擦纳米发电机图3:(a)人体运动状态,例如(1)步行,(2)跑步和(3)跳跃;(4)装有MP-TENG的鞋子;(b-d)对应于三个运动状态的输出电压信号。
用牛奶做摩擦电材料用于收集人体运动机械能的高效摩擦纳米发电机图4: (a-c)摆臂作用下的MP-TENG示意图以及其输出性能;(d-f)腰部作用下MP-TENG的示意图及其输出性能。
用牛奶做摩擦电材料用于收集人体运动机械能的高效摩擦纳米发电机图5:(a)MP-TENG与82个商用蓝色LED串联连接(插图显示MP-TENG,尺寸为5cm×5cm); (b)手指按压时MP-TENG来点亮82个商用蓝色LED。
图3和图4展示了MP-TENG提供的三种工作模式可用于收集脚部运动(例如:步行,跑步,跳跃)、摆臂运动、腰部运动产生的机械能。此外,MP-TENG也可用于感知个人的运动状态,例如步行,跑步或跳跃,如图3(a1-a3)所示。图3(b-d)显示了三种运动状态相应的输出电压信号。可以清楚地看到三个信号是彼此不同的。而且,这些信号与各种信息相关,包括压力和频率。因此,每种运动状态的运动过程中产生的每个输出信号具有其自己的独特特性,包括电压峰值的高低和两个连续峰值信号之间的时间间隔。图5展示了一个尺寸为5cm×5cm 的MP-TENG,在手掌按压下可以驱动82个蓝色LED。本研究拓展了摩擦纳米发电机在微能源收集,食品质量检测、智能识别等领域的应用。
Xia, K., Zhu, Z., Zhang, H., Du, C., Fu, J., & Xu, Z. Milk-based triboelectric nanogenerator on paper for harvesting energy from human body motion. Nano Energy, 2019,56, 400-410.DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.11.071

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参考文献:Nano Energy