具有高输出性能的可拉伸纳米纤维素/MXene液体电极摩擦纳米发电机

摩擦纳米发电机（TENGs）是一种新型高效的能量采集器件，可以有效的将机械能转化为电能，同时提供了一种新型的自驱动传感机制，可以实现无需外部电源供给下的信号感知，对解决电子器件能源供给问题提供了无限的可能。随着柔性电子技术向智能化、功能化、集成化的快速发展，智能可穿戴设备在个性化健康监护、人机交互、人工智能等领域的应用受到了广泛关注。目前，开发具有高输出性能且兼具高柔韧性的TENGs仍然面临着挑战。

针对上述问题，北京林业大学马明国教授团队、中科院北京纳米能源与系统所李舟研究员课题组与同济大学附属第十人民医院陈峰研究员合作，基于MXene具有高导电性和高电负性的特性，以纳米纤维素/MXene分散液为液体电极，设计了一种具有高输出性能的可拉伸单电极摩擦纳米发电机，并作为电子器件能源供给平台构建了柔性可穿戴自驱动传感系统。

该工作利用模板法制备出具有粗糙表面的硅胶薄膜，并组装成带有内空腔的硅胶层，将纳米纤维素分散的MXene液体注入硅胶层中，以纳米纤维素/MXene分散液为液体电极，硅胶层作为摩擦层，构建液体单电极摩擦纳米发电机（CM-TENG）（图1）。该器件可以承受卷曲、拉伸、扭转等多种形变，均可恢复原样。在手动拍打硅胶收集能量的情况下，CM-TENG可以同时点亮230盏LED灯。当相对湿度为20%，该CM-TENG的输出电压与输出电流分别为300 V和5.5 μA。将器件在50%拉伸应变下，进行1000次接触发电，CM-TENG的输出电压基本不变。CM-TENG具有优异的机械能收集性能，用手拍打硅胶收集能量，可以在60 s内将22 μF容量的电容器充电到3.0 V，采集的电量能够用于驱动电子手表正常运行~60 s，并且可以成功点亮发光牛角发卡（图2）。除此之外，CM-TENG还可以作为自驱动传感器，结合无线模块和NFC天线，实现对人体各种运动（如手指弯曲、手腕弯曲、颈部运动、膝盖弯曲等）实现远程、无线、精准监控（图3）。该工作为构建可拉伸电源和自供电传感器提供了一种新的方法，在机器人技术、人体运动学和生物力学等不同领域具有潜在的应用前景。

图1：a）CM-TENG的示意图；b）MXene纳米片的透射电镜图；c）MXene的XRD图；d）CM-TENG在卷曲、拉伸、扭转状态下照片；e）CM-TENG可同时点亮230盏LED灯。

图2：a）CM-TENG给不同容量电容器的充电曲线图；b）手拍CM-TENG给22 μF容量的电容器充电；c）CM-TENG输出的电量可以使电子手表运行约60 s；d）CM-TENG输出的电量可以点亮牛角发卡。

图3：a）CM-TENG在手指关节不同弯曲角度下的输出电压；b）CM-TENG在不同数量手指按压下的输出电压；c）CM-TENG在低头/抬头状态下的输出电压；d）CM-TENG在胳膊不同弯曲速率下的输出电压。

研究工作发表在Advanced Functional Materials，北京林业大学博士研究生曹文涛和中科院北京纳米能源与系统所欧阳涵博士后为该论文共同第一作者，李舟研究员、陈峰研究员和马明国教授为共同通讯作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

A Stretchable Highoutput Triboelectric Nanogenerator Improved by MXene Liquid Electrode with High Electronegativity

Wen-Tao Cao¹; Han Ouyang¹; Wei Xin; Shengyu Chao; Chang Ma; Zhou Li*; Feng Chen*; Ming-Guo Ma*

Adv. Funct. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adfm.202004181

导师介绍

马明国

https://www.x-mol.com/university/faculty/43041

李舟

https://www.x-mol.com/university/faculty/148352