【摘要】

摩擦納米發(fā)電機(jī) (TENG) 代表了能量收集、醫(yī)療和信息技術(shù)領(lǐng)域的一項新興技術(shù)。非常需要基于 TENG 的靈活、便攜和自供電的電子設(shè)備，而傳統(tǒng)柔性電極的復(fù)雜制備過程和高成本阻礙了它們的實(shí)際應(yīng)用。

最近，廣西大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院納米能源研究中心、中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士團(tuán)隊輸出性能和多功能的應(yīng)用。MXene納米片的摻雜促進(jìn)了PVA水凝膠的交聯(lián)，提高了復(fù)合水凝膠的拉伸性。MXene 納米片還在表面形成微通道，這不僅通過改善離子傳輸來增強(qiáng)水凝膠的導(dǎo)電性，而且還通過流動振動電位機(jī)制產(chǎn)生額外的摩擦電輸出。即使在單電極模式下，測得的 MH-TENG 開路電壓也高達(dá) 230 V。MH-TENG 可以拉伸到原始長度的 200%，并且顯示出可拉伸長度和短路電壓之間的單調(diào)遞增關(guān)系。通過利用 MH-TENG 出色的可拉伸特性和對機(jī)械刺激的超高靈敏度，展示了在可穿戴運(yùn)動監(jiān)測、高精度書寫筆畫識別和低頻機(jī)械能收集方面的應(yīng)用。相關(guān)論文以題為A Flexible Multifunctional Triboelectric Nanogenerator Based on MXene/PVA Hydrogel發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。

【主圖導(dǎo)讀】

圖1 MXene/PVA 水凝膠的微觀結(jié)構(gòu)和成分表征。a) MXene 的晶體結(jié)構(gòu)示意圖。b) TEM 獲得的 MXene 納米片的低倍放大圖像。c）來自（b）的 MXene 納米片的放大邊緣區(qū)域。d) MXene 納米片的 SAED 圖案。e) MXene 納米片的 EDX 圖。f) 描述自愈能力的 MXene/PVA 水凝膠的照片。g) 合成的 MXene/PVA 水凝膠的示意圖，顯示了初級和次級交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。h-j) 分別為 MXene/PVA 水凝膠的 FTIR、拉曼光譜和 XRD 圖案。

圖2 MH-TENG的工作原理和輸出性能。a）MH-TENG的示意結(jié)構(gòu)。b）用于能量收集的單電極模式MH-TENG的工作原理示意圖。c) 基于 MXene/PVA 水凝膠微通道的摩擦電機(jī)制。d）開路電壓，e）短路電流，和f）不同摻雜濃度的MXene納米片的MH-TENG的轉(zhuǎn)移電荷量。g) 具有不同 MXene 摻雜濃度的 MXene/PVA 水凝膠的電阻。

圖3 由不同拉伸狀態(tài)和自供電傳感器產(chǎn)生的輸出電壓，用于監(jiān)測身體運(yùn)動。a) 作為拉伸長度的函數(shù)的輸出電壓，其中插圖顯示了 MH-TENG 的可拉伸性。b) MH-TENG 響應(yīng)手指彎曲 30°、45°、60° 和 90° 的電壓信號。MH-TENG 響應(yīng) c) 手腕、d) 肘部和 e) 手指連續(xù)彎曲的電壓信號。f) MH-TENG 響應(yīng)實(shí)驗者 2 手指彎曲的電壓信號。

圖4 MH-TENG 用于感知不同的手寫細(xì)節(jié)。a) MH-TENG 表面的筆跡圖示。b-e) 用于感應(yīng)不同手寫細(xì)節(jié)的可重復(fù)電壓信號。

圖5 用于能量收集的 MH-TENG 演示。a) 用其他材料代替 Kapton 的開路電壓。b) MH-TENG 在相同工作頻率下使用 1 μF 和 3.3 μF 電容器的充電行為。c) 短路電流和計算的電荷密度與外部負(fù)載電阻的關(guān)系。d) 開路電壓，e) 短路電流，以及 f) 用手拍打 MH-TENG 的轉(zhuǎn)移電荷量。g) MH-TENG 點(diǎn)亮 LED 的電路原理圖。h) 與 MH-TENG 連接的 40 個 LED 的原始照片，無需拍手。i) 用手輕敲 MH-TENG 點(diǎn)亮 40 個 LED 的照片。

【總結(jié)】

團(tuán)隊制備了以 MXene/PVA 水凝膠為電極的柔性和可拉伸摩擦納米發(fā)電機(jī)。發(fā)現(xiàn)MXene納米片不僅促進(jìn)了PVA水凝膠的交聯(lián)，而且在水凝膠內(nèi)部形成了微通道，促進(jìn)了復(fù)合水凝膠的拉伸性，增強(qiáng)了離子傳輸，并通過微通道摩擦電的SVP機(jī)制誘導(dǎo)了額外的輸出.用于 MH-TENG 的 MXene 納米片的最佳摻雜濃度被證明為 4%。MH-TENG具有出色的可伸縮性和對機(jī)械刺激的超高靈敏度，在可穿戴自供電人體運(yùn)動監(jiān)測和高精度筆畫識別方面具有巨大的應(yīng)用潛力。此外，用于 MH-TENG 的獨(dú)立摩擦電材料可以與各種材料結(jié)合，在低頻機(jī)械能收集方面顯示出巨大的潛力。值得一提的是，MH-TENG可降解環(huán)保，與目前倡導(dǎo)的環(huán)保理念相契合。

參考文獻(xiàn)：

doi.org/10.1002/adfm.202104928