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西工大黃維院士、于海東教授團(tuán)隊(duì)和寧波大學(xué)石川千助理研究員《Nano Energy》：基于葉片表面微觀結(jié)構(gòu)的魚明膠基摩擦納米發(fā)電機(jī)
2023-01-31  來(lái)源：高分子科技

  摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENGs）具有體積小、便攜和可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能輸出的特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用到能量收集和自供能傳感方面。摩擦表面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以有效地提高TENG的輸出性能。然而，目前表面結(jié)構(gòu)的制備策略通常繁瑣、昂貴且對(duì)生態(tài)環(huán)境不友好。因此迫切需要探索和開發(fā)一種低成本、高性能、工藝簡(jiǎn)便和環(huán)境友好的TENG。


  近期，西北工業(yè)大學(xué)柔性電子研究院黃維院士和于海東教授的團(tuán)隊(duì)與寧波大學(xué)的石川千助理研究員合作開發(fā)了一種基于天然葉片表面微觀結(jié)構(gòu)的魚明膠基的TENG（LMFG-TENG），這種器件具有低成本、高性能和可降解的優(yōu)勢(shì)。來(lái)源于魚類廢棄鱗片的魚明膠（FG）含有豐富的供電子基團(tuán)、是一種理想的摩擦材料、還具有完全的生物降解性能。受自然界中不同植物葉片結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，在本項(xiàng)研究工作中選取了不同微觀結(jié)構(gòu)的幾種常見(jiàn)植物的葉面，將一對(duì)摩擦表面的結(jié)構(gòu)適當(dāng)改性，提高了TENG的發(fā)電性能。利用LMFG-TENG出色的輸出性能，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)良的能量收集和自供能傳感的應(yīng)用。這項(xiàng)工作以“Leaf Surface-Microstructure Inspired Fabrication of Fish Gelatin-Based Triboelectric Nanogenerator”為題發(fā)表在《Nano Energy》上。 


圖1 受葉片微結(jié)構(gòu)啟發(fā)的魚明膠基摩擦電納米發(fā)電機(jī)（LMFG-TENG）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的圖示。


  在這項(xiàng)工作中選取了四種典型的葉面圖案作為模型，制備了具有類金字塔狀、槽狀、波紋狀以及塊狀的表面微結(jié)構(gòu)的仿生LMFG-TENG，如圖2所示。以魚明膠薄膜作為正極摩擦材料具有優(yōu)異的可降解性能和可重復(fù)利用的特性。其中，仿生荷葉表面類金字塔狀表面微結(jié)構(gòu)的LMFG-TENG與其他植物葉面的微結(jié)構(gòu)相比具有最高的發(fā)電性能。通過(guò)對(duì)仿生荷葉材料的尺寸、厚度以及相關(guān)工作參數(shù)的優(yōu)化，LMFG-TENG的最大開路電壓和短路電流可達(dá)到~320 V和~0.8 μA，分別是無(wú)結(jié)構(gòu)化FG-TENG的5.8倍和3.8倍。揭示了不同植物葉面的仿生微結(jié)構(gòu)對(duì)TENG性能的巨大影響。 


圖2 魚明膠（FG）薄膜結(jié)構(gòu)表征的圖示。


  采用LMFG-TENG作為供能器件和自供電傳感器，可以用于商用電子產(chǎn)品的供電和人體活動(dòng)的監(jiān)測(cè)，如圖3所示。還可以應(yīng)用于身體活動(dòng)、姿態(tài)變化和聲帶振動(dòng)的自供能感知方面。 


圖3 LMFG-TENG作為自供能傳感和供能器件的應(yīng)用圖示。


  這項(xiàng)工作可以在醫(yī)療保健和人機(jī)交互等許多方面得到廣泛應(yīng)用，有利于社會(huì)活動(dòng)的綠色可持續(xù)發(fā)展。


  文章作者：Xuewen Shi（石學(xué)文），Yuewen Wei（魏悅文），Ren Yan（顏稔），Lixuan Hu（胡黎璇），Jiacai Zhi（支嘉才），Biao Tang（唐彪），Yijia Li（李怡佳），Zhuoqi Yao（姚卓奇），通訊作者：Chuanqian Shi（石川千）*，Hai-Dong Yu（于海東）*，Wei Huang（黃維）*。

  論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285523000678

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