研究速覽

■?近日，河南理工大學周愛國課題組與和河南大學鄭海務課題組，在國際知名期刊Nano Energy上發(fā)表題為“MXene supported by cotton fabric as electrode layer of triboelectric nanogenerators for flexible sensors”的研究論文。該論文將棉織物浸入在Ti3C2?MXene懸浮液中，無需任何復雜的化學合成，得到具有良好電負性的柔性導電膜。該導電膜作為電極層，與硅膠構(gòu)建單電極的摩擦電納米發(fā)電機（TENG）。這種新型TENG表現(xiàn)出良好的力學性能與電學性能，不需要外界供能，可以通過觸摸精確測量導電物體的質(zhì)量，可以作為柔性傳感器，用于監(jiān)測人體的生理信號。

▉? 研究摘要? ▉

■?實時監(jiān)測人體的各種生理信號對于人體健康評估來說是至關(guān)重要的。柔性傳感器通常作為可穿戴設(shè)備，用于檢測人體的生理信號。然而，大多數(shù)柔性傳感器檢測電容、電阻、壓電信號的變化，需要頻繁的充電，這極大地限制了其潛在的實際應用。摩擦電納米發(fā)電機（TENG）是一種新型的低頻能量收集技術(shù)，它可以可持續(xù)地將機械能轉(zhuǎn)化為電能。然而，TENG 要想與可穿戴傳感器兼容，還需要良好的柔性。柔性TENG要求摩擦層和電極層都具有柔韌性和拉伸性，且要求其性能良好并穩(wěn)定，不會因拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲或其他外力因素而損壞。因此，選擇合適的電極材料對于柔性 TENG 的正常和穩(wěn)定輸出至關(guān)重要。

■?鑒于此，河南理工大學周愛國課題組與河南大學鄭海務課題組合作報道了一種新型的TENG。將棉織物浸入在Ti3C2 MXene懸浮液中，無需任何復雜的化學合成，得到具有良好電負性的柔性導電膜。該導電膜作為電極層，與硅膠構(gòu)建單電極的摩擦電納米發(fā)電機（TENG）。這篇報道成功的解決了TENG電極層因失水、破損、柔韌度較低等影響傳感性能的問題。這種新型的TENG 可以在單電極模式下產(chǎn)生高達400V的開路電壓。收集的能量可以直接為32個串聯(lián)的綠色發(fā)光二極管或電容器提供動力。與以往的傳感器相比，新型 TENG 傳感器具有以下優(yōu)點：

(1)采用簡單的浸漬法制備，

(2)可實現(xiàn)自供電傳感，

(3) 輸出電壓幾乎與被接觸物體的質(zhì)量呈線性變化，

(4)具有良好的穩(wěn)定性，使用壽命長，

(5)棉織物作為基底具有較高的靈活性，同時保證了較高的電壓輸出。

■ 研究要點1：

作者將Ti3C2Tx MXene作為浸漬溶液，在MXene溶液中摻入不同質(zhì)量的纖維素納米纖維（CNF）溶液。CNF的引入，促進了MXene納米片之間的互聯(lián)，增強了TENG的輸出性能。硅橡膠表面旋涂銀納米線，增強了電子的傳輸能力。以棉織物支撐的MXene/CNF薄膜作為電極，保證了TENG的靈活性，并將此命名為MC-TENG。

圖1.MC-TENG制備工藝示意圖。

■ 研究要點2：

由于靜電吸附，MXene/CNF混合物均勻地分散在棉織物表面。XRD、掃描電鏡（SEM）和EDS元素映射圖也證明了這一點。

圖2. MXene/CNF棉織物電極的微觀表征。

■?研究要點3：

作者通過對比實驗證明了MXene與CNF的比例為4:1時，MC-TENG有著最高的電壓電流輸出。硅橡膠表面的銀納米線也是一個影響TENG輸出性能的重要因素。實驗結(jié)果表明，在硅橡膠表面旋涂銀納米線后，TENG的輸出性能會有大幅度增加。

圖3. 影響MC-TENG輸出性能的研究。

■?研究要點4：

根據(jù)摩擦納米發(fā)電機的工作原理，通過接觸分離和靜電感應的耦合便可持續(xù)產(chǎn)生輸出信號。

圖4. MC-TENG在單電極模式下的工作原理。

■?研究要點5：

MC-TENG可以將日常環(huán)境中的機械能持續(xù)地轉(zhuǎn)化為電能，連接電阻負載，可以表征其功率密度。收集的能量可以為電容器充電，點亮LED燈。

圖5. MC-TENG對機械能的收集與應用。

■?研究要點6：

TENG的輸出電壓與接觸物體傳遞的電子容量有關(guān)。從電壓出發(fā)，可以檢測接觸物體的電容量。電容量與物體的質(zhì)量或體積成正比。因此，TENG可以通過接觸來感知物體的質(zhì)量或體積。精確檢測的質(zhì)量范圍為2g-200g。

圖6. MC-TENG感知鋼塊質(zhì)量。

■?研究要點7：

以上研究證明，TENG具有較高的靈敏度、可識別性，具有巨大的傳感應用潛力。因此，它可以作為自供電傳感器來監(jiān)測人體的運動。還可以根據(jù)不同情況的拉伸、彎曲、折疊、書寫產(chǎn)生特定的峰值信號。

圖7. MC-TENG用于人體自供電傳感。

圖8. MC-TENG在不同應變水平下的輸出信號與感知書寫。

▉? 研究總結(jié)? ▉

■?作者將棉織物浸漬在MXene和CNF的混合溶液中得到電極層，然后將電極層與硅橡膠組裝成一種新型的TENG。MC-TENG可以在人手掌的按壓釋放過程中輸出~400 V的電壓。由MC-TENG收集的能量可以照亮32個綠色LED。根據(jù)電壓可以感知2g-200g鋼塊物體的質(zhì)量。同時，TENG對機械刺激有著超高的靈敏度，根據(jù)不同的拉伸，彎曲和折疊產(chǎn)生特定的峰值信號?？梢宰R別書寫，可作為可穿戴式自供電傳感器，實現(xiàn)對人體各種運動的實時監(jiān)測。這項研究工作為可穿戴傳感器的制備提供了一個新的參考。研究生樊嘉誠為本文第一作者，周愛國為通訊作者。

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https://authors.elsevier.com/sd/article/S2211-2855(22)01051-5