抗湿型摩擦纳米发电机高效收集人体机械能研究取得新进展

发布时间:2018-01-26访问量:325

近期,东华大学纺织学院丁彬研究员、李召岭副教授在抗湿型摩擦纳米发电机高效收集人体机械能方面的研究取得重要进展,相关成果以“Humidity-resisting triboelectric nanogenerator for high performance biomechanicalenergy harvesting”为题发表在国际纳米材料和能源领域著名期刊Nano Energy, 2017, 40, 282-288. IF=12.34)上,论文第一作者为纺织学院2015级硕士生沈家力,东华大学为唯一署名单位。

可穿戴电子产品种类日渐丰富,市场规模逐年扩增,在医学治疗、健康检测、运动健身以及通信娱乐等领域彰显着巨大的应用潜力。但是电子器件续航时间问题严重限制了其应用范围,给使用者带来诸多不便。摩擦纳米发电机(TENG)基于摩擦起电和静电感应的耦合效应,可通过收集人体运动机械能为可穿戴电子器件提供持续稳定的绿色能源。然而人体在剧烈运动或者炎热环境中会分泌大量汗液,汗液会大幅度提高人体表面湿度,从而导致摩擦材料表面电荷逸散,TENG的功率输出显著下降,降低其实际使用性能。因此设计制备具有良好抗湿性能的TENG对实现可穿戴电子器件的高效自供电功能有着重要的意义。

该研究通过多喷头静电纺丝技术制备得到力学性能优良的醋酸纤维素(CA/聚氨酯(PU)混纺纳米纤维膜。随后采用不同浓度的聚丙烯酰胺(PAM)溶液在水相中对纤维膜进行表面氨基修饰。经过氨基修饰的材料有利于提高表面势,使其在摩擦过程中获得更多的正电荷。另一方面,含氨基物质吸收水分可释放出可移动负离子,负离子的迁移能进一步提高表面正电荷密度。

研究发现,经过氨基修饰的CA/PU混纺纤维膜与疏水PVDF纳米纤维膜组装成抗湿型TENG,其发电性能得到大幅度提高。随测试环境湿度增加,未修饰的TENG电输出性能急剧下降,而经表面氨基修饰的TENG电输出性能下降明显减缓,甚至在90%的高湿环境中,依旧保持着较高的输出性能。研究者以抗湿型TENG为核心,与桥式整流器、储能单元(电容器)、电压调节器(电阻)和电子器件构筑了自供电温度计、电子手表和计算器等一系列自驱动系统。设计的自供能电子器件可在人体手掌驱动下稳定工作,在可穿戴电子领域有着重要的潜在应用价值。

该项研究工作得到了国家自然科学基金、中央高校基础研究基金、东华大学励志计划等项目的大力资助。

抗湿型摩擦纳米发电机高效收集人体机械能及结构示意图

 

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