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美国化学会《ACS Applied Materials & Interfaces》报道我校用于人体可穿戴的力学能量收集和人机界面传感的摩擦纳米发电机的研究成果

发布日期:2023-10-10     作者: 化工学院     浏览数:    分享到:

近日,美国化学学会《ACS Applied Materials & Interfaces》以Humidity-Resistant, Conductive Fabric-Based Triboelectric Nanogenerator for Efficient Energy Harvesting and Human-Machine Interaction Sensing为题,报道了我院在可用于生物力学能量收集和自供电人机界面传感的摩擦纳米发电机。

摩擦纳米发电机(TENG)是一种很有前途的能量转换装置,可以收集环境中的各种低频能量。它的高输出性能、外部刺激的快速响应,在自供电人机界面传感、运动、风速等方面展现了巨大的应用前景。TENG的基本结构是由摩擦层和电极层组成,传统的摩擦层材料主要是各种聚合物,大多存在不可降解和不透气性的问题。常用的导电材料通常是较脆的金属材料,其在恶劣环境下容易氧化和腐蚀。不舒适的材料和金属作为可穿戴TENG不仅增加了制造成本,而且限制了其应用发展。此外,日常的潮湿环境不利于TENG的输出,因此为可穿戴TENG器件选择恰当的材料及对其表面赋予特殊的润湿性研究极为必要,可提高TENG的可穿戴性和拓宽其在复杂环境中的应用。

我院屈孟男教授研究团队通过一种简单的方法制备了具有超疏水和导电性能的复合织物(HPC),并将其作为摩擦正极材料和电极层,用于构建有应用前景的可穿戴TENG。该纳米发电机具有高输出、灵活性和良好的稳定性,输出电压和功率密度分别高达300 V和2.6 W m-2。与摩擦层和电极分离式的普通TENG相比,一体化的HPC-TENG具有结构简单、穿戴轻便的优点。由于织物表面的拒水性,该HPC-TENG在高湿度条件下也能保持高输出性能。HPC-TENG有望能被用作人体运动状态监测的压力传感器和智能游戏毯娱乐的多通道传感器。该研究为开发导电、超疏水且柔性的多模式可穿戴TENG用于自供电的人类活动监测和生物力学能量收集提供了思路。

该项工作由我校bepaly体育独立完成,西安科技大学为唯一署名机构。主要实验工作由我院2021级硕士研究生薛玉玉同学完成,屈孟男教授为论文通讯作者。该项研究得到了国家自然科学基金,陕西省高等学校青年创新团队和陕西省科技厅等项目的资助支持。

论文链接:https://doi.org/10.1021/acsami.3c10328

图1 HCP复合织物的制备过程及形成机理。

图2 HPC-TENG作为自供电传感器固定在人体的各个部位,以监控运动状态产生的输出电压。(a)拍手(b)肘部弯曲(c)跑步(d)手腕弯曲(e)行走(f)跳跃。

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