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《ACS nano：摩擦纳米发电机首次驱动静电纺丝系统制造纳米纤维》

  • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者： 姜山
  • 发布时间：2017-09-26

  • 背景介绍

    静电纺丝是一种特殊的纤维制备技术，其利用高压静电场对高分子溶液的击穿作用来制备微纳米纤维。静电纺丝过程中需要几千伏甚至几十千伏的高压，所需电流小，仅为几个微安。传统的静电纺丝电源大都依赖于电力系统并需要一套繁重的升压电路，大大限制了静电纺丝的应用场景。实现静电纺丝的自供能化具有重要的意义。

    摩擦纳米发电机（TENG）能够将环境中各种形式的机械能转化为电能，其输出具有电压大电流小的特点。研究中常利用降压电路对TENG的输出进行管理之后再实现其应用。如何更好的结合TENG自身的输出特点，实现其更广范围的应用，是摩擦纳米发电机研究领域的一个重要课题。

    成果简介

    近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所李从举研究员同王中林院士及中国科学院化学研究所王春儒研究员合作，共同开发出无需外接电源的、TENG驱动的静电纺丝系统。该自供能静电纺丝系统由转盘式TENG、倍压整流电路、简易的纺丝针头组成。转盘式TENG的开路电压为1400V，远达不到静电纺丝的需求。博士生殷营营和博士后周桃等研究人员设计了由二极管和电容按照一定规则排布组成的倍压整流电路，能够将TENG输出的交流电倍压整流成恒定的高压电。在优化的电路参数下，以TENG作为电源的倍压整流电路能输出8kV的恒定高压。此高压在静电纺丝过程中能够驱动持续泰勒锥的产生。该团队利用此自供能的静电纺丝系统，制备了多种聚合物纳米纤维，例如PET、PA6、PAN、PVDF和TPU，这些纤维直径分布均匀，表面光滑，与利用商业纺丝机制备的纤维形貌相当。研究成果发表在近期的ACS nano（DOI: 10.1021/acsnano.7b05626）上。

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  • 《摩擦纳米发电机首次实现对驾驶行为的无干扰测试》
    • 来源专题：中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2018-07-26
    • 据报道，道路交通伤害（RITs）已被列为全世界第八大死亡原因。其中，驾驶员的不良驾驶习惯，特别是驾驶员的注意力分散，被认为是交通事故的直接原因。美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）通过研究，发现大多数撞车事故/近撞车事故不注意现象都与驾驶员分心有关。实际上，驾驶的首要任务仅占开车总时间的46%，其余的时间都在进行次要任务，例如，发短信、导航或调整无线信道。然而，这些活动会导致驾驶员偏离道路，这是非常危险的。研究表明，如果驾驶员眼睛离开道路时间超过2秒，撞车的危险会增加三倍。对驾驶员的驾驶行为的分析，可应用于交通安全和交通流研究等多个领域。因此，驾驶行为对于交通安全和路况检测非常重要。目前，驾驶行为分析的大多数参数是通过利用镜像或价格昂贵的传感器来实现，例如，眼动跟踪仪、脑电图仪等；而且这些监测装置会对驾驶行为测试分析造成很大的干扰，很难获得客观数据来进行驾驶行为的深入研究。 　　摩擦纳米发电机(TENGs)是一种新型的能量转换器件，利用接触起电和静电感应效应，它可以收集人体运动的机械能、风能、海洋能等。同时通过与电池、电容器等储能器件耦合，可以集成为一体化的自供能系统。此外，TENGs作为一种自驱动的传感装置也已经被广泛地应用于压力传感、环境监测、污染治理、医疗卫生、健康监测等领域。通过外部压力触碰TENG，在静电感应驱动下产生摩擦电荷，经过外部电路传输，可以实时监测施加于TENG的作用力，以及其与输出电信号的强度和频率的关系，从而实现监测操作者的外部活动。 　　近日，在中国科学院外籍院士、中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长、佐治亚理工学院校董教授王中林，纳米能源所研究员孙春文及北京理工大学教授王武宏的指导下，博士生孟晓义和成前等人将基于TENG的压力传感器应用于汽车传感领域，用来实时监测驾驶员的行为，这是首次把TENG应用在驾驶行为监测领域，实现了驾驶行为无干扰测试，为解决车辆安全提供了新的解决途径。同时有望将TENG应用于更广泛的领域，如智能驾驶、交通安全以及航空航天等。 　　该工作基于Al和Kapton薄膜制备了简易柔性的TENG，通过对其结构性能以及灵敏度做的分析表征，表明TENG可以有效地作为压力传感装置。外部压力作用于TENG导致其形变，产生开路电压信号，其强度和频率对应于外部动作特征，应用于汽车传感领域，并结合多通道数据采集装置，可以监测驾驶员多种行为动作。 　　相关研究成果以Triboelectric Nanogenerator as a Highly Sensitive Self-Powered Sensor for Driver Behavior Monitoring 为题发表在最新一期的《纳米能源》（Nano Energy，DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.07.026）上。该项工作得到了科技部国家重点研发计划（2016YFA0202702）、国家自然科学基金（51672029, 51372271, 51378062）以及 中组部“顶尖千人”及其创新团队的经费支持。
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  • 《《先进功能材料》纤维素II气凝胶摩擦纳米发电机，实时检测人体运动》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2020-07-27
    • 1要点与重点 1. 纤维素II气凝胶在绿色无机熔融盐水合物溶剂（三水合溴化锂）中的溶解-再生过程中制成。 2. 制成的纤维素II气凝胶具有互连的开孔3D网络结构，更高的柔韧性，高孔隙率和221.3 m2/ g的高表面积，这种结构优势给予TENG出色的机械响应灵敏度和电输出性能。 3. 通过与壳聚糖和海藻酸等其他天然多糖共混，将供电子基团和吸电子基团引入到复合纤维素II气凝胶，可大幅度改善TENG的摩擦电性能。 4．该TENG可以点亮发光二极管，可用在商用电容器充电，为计算器供电以及监视人体运动。 2背景 大自然中的机械能是人类宝贵的可持续能源。摩擦电纳米发电机（TENG）可以将机械能转换为电能。由于高功率密度，低成本，轻便和出色的可制造性，TENG在能源供应方面具有很大的希望。然而，TENG的原材料通常是不可再生和不可持续的合成聚合物。因此，以可再生天然聚合物为原料的TENG很有吸引力。 纤维素是由通过β（1,4）-糖苷键连接的葡萄糖单元组成的线性聚合物具有许多优点，如可更新性、可持续性、生物相容性和生物降解性。许多研究已使用纤维素来开发TENG，但是大多数是以纤维素基薄膜来组装TENG。气凝胶具有低密度，高多孔网络结构和高比表面积的优点，与现有TENG的薄膜同类产品相比，可以提供优异的电气性能。 美国佐治亚理工学院的王忠林团队在《先进功能材料》发表了Cellulose II Aerogel‐Based Triboelectric Nanogenerator，他们构建了一种以纤维素气凝胶为基础的TENG，该TENG可用于机械能收集器和自供电传感器。纤维素气凝胶是通过无机熔融盐水合物（三水合溴化锂，LiBr·3H2O）作为溶剂溶解并再生制成的，在此过程中，天然纤维素（纤维素I）转化为再生纤维素（纤维素II）。该方法产生的纤维素II气凝胶具有大量的中孔，因而具有更大的表面积，显著提高了TENG的性能。此外，在纤维素II气凝胶的制造过程中均匀地形成了连续的纤维素纤维网络，它具有柔软而坚固的特性。因此，基于纤维素II气凝胶的TENG具有出色的机械响应灵敏度和高电输出性能。通过与其他天然多糖共混以引入给电子和吸电子基团，作者制造了一系列具有各种摩擦极性的纤维素II气凝胶，这可大幅度改善TENG的电性能。 3结果与讨论 3.1纤维素II气凝胶的制备和表征 为了制备纤维素II材料，先使用LiBr·3H2O溶解纤维素，然后使其再生。纤维素在LiBr·3H 2中的溶解机理可以简要解释如下。当LiBr溶于水时，Li 离子被水分子配位或水合，并且所生成的水合锂阳离子可以与纤维素的羟基配位，破坏分子间氢键，从而促进纤维素的溶解。此外，系统中的游离Br -离子可通过Li-OH 或者纤维素- OH相互作用加速纤维素溶解。图 1a描绘了纤维素II气凝胶的制备过程。在温和的条件下，纤维素迅速在LiBr·3H2O溶液中溶解。冷却至室温，溶液直接凝胶化。洗涤后，溶解的纤维素再生并由于物理纠缠聚集成纤维素，并形成透明的水凝胶片。冷冻干燥使水凝胶转化为气凝胶，该气凝胶保持原始形状（图1b）。 SEM图像显示纤维素II气凝胶的均匀网络结构和多孔纤维表面(图1c)。X射线纳米计算机断层扫描（nano-CT）的逐层重建进一步验证了气凝胶相互连接的3D网络和均匀的质量分布（图1d）。粗糙表面增加了表面积，这是由于在再生过程中形成了大量的介孔所致。应变扫描测试结果（图1e）表明纤维素II气凝胶是一种柔性材料。在应力下，纤维素II气凝胶由于均匀的互连结构而没有开裂。热重分析（图1f）表明，纤维素II气凝胶在250°C的温度下仍具有良好的热稳定性。所有数据证明，所制备的纤维素II气凝胶的刚性较低，更具柔韧性，这将有利于TENG的性能和耐久性。 图1纤维素II网络结构气凝胶的制备过程和表征。a）纤维素II水凝胶和气凝胶的制备步骤。纤维素II气凝胶的照片b），SEM图像c）, X射线d）,动态应变扫描e）,热重分析f）。 3.2基于纤维素II气凝胶的TENG的结构，机理和表征 为了证明TENG可收集能量，本研究采用了典型的接触分离模式（图 2a）。作者将两片铝箔（Al）分别附着到PTFE（参考组）和纤维素II气凝胶上作为后电极，并连接到电输出的外部电路。对TENG施加压缩力时，会发生接触摩擦带电和静电感应的耦合效应，导致电荷转移（图2b）。与传统的基于薄膜的TENG相比，气凝胶的感应电荷不仅可以存在于接触表面，而且可以分布在结构网络的表面，由此促进电荷累积。当力反向时，纤维素II气凝胶和PTFE之间间隙增大，极性相反的摩擦电荷分开，导致电势增大，从而驱动感应电子从底部电极流向顶部电极。当将力重新施加到TENG上时，电子会回流并在相反方向上形成电流。周期性的机械装卸过程使电子在外部电路来回流动。TENG的电压输出随着施加的力从2.4到55 N线性增加（图2c，d），灵敏度为1.66 V/N。图2e显示了施加力40 N时，纤维素II气凝胶型TENG在各种工作频率下（1至4 ）的开路电压（V oc），短路电流（I sc）和短路电荷（Q sc）的结果。作者还以不同的外部负载电阻来评估基于纤维素II气凝胶的TENG的输出性能（图2f）。随着电阻从1kΩ增加到10GΩ，峰值输出电流密度降低，而峰值输出电压呈现相反的趋势。在60MΩ负载电阻下，实现了127mW /m -2的最大瞬时功率密度（图2g）。15000个周期接触分离测试（图2h）证明TENG的开路电压几乎没有变化，表明基于纤维素II气凝胶TENG坚固耐用。 图2基于纤维素II气凝胶的TENG的结构，机理和基本电学特征。基于纤维素II气凝胶的逐层TENG结构示意图a）及工作机理b）。c，d）在不同外力值下的电压输出。e）不同的工作频率下的路电压，短路电流和短路充电。f）在不同的外部负载电阻下的电流密度和电压输出。g）输出峰值功率密度与外部负载电阻的关系。h）TENG的稳定性和耐久性测试。 3.3纤维素II气凝胶的TENG性能的化学和物理增强 为了进一步改善基于纤维素II气凝胶的TENG的性能，作者通过引入其他天然多糖（分别包含给电子基团和吸电子基团的壳聚糖和藻酸）合成了复合纤维素II气凝胶。增加纤维素-壳聚糖复合气凝胶中壳聚糖的含量可将相应设备的电压输出从269％提高到311％。而基于纤维素-海藻酸气凝胶的TENG表现出相反的效果趋势，因为藻酸提供了更多的吸电子基团（图3d）。这些观察结果表明，富含氨基的壳聚糖和富含羧基的海藻酸使摩擦电性能向相反方向移动。TENG的电输出取决于纤维素气凝胶的物理尺寸，增加多孔气凝胶的厚度，可以提高TENG的相应输出性能。当样品的直径从15毫米增加到35毫米时（图3f），TENG的输出电压和电荷显着增强（如图3g，h）。 图3纤维素II复合气凝胶增强相应TENG的电性能。a）纤维素，壳聚糖和藻酸的化学结构。b）各种气凝胶的FTIR光谱。c）以各种膜为基础的TENG的输出电压。d）基于具有不同藻酸含量的纤维素II气凝胶的TENG的输出电压，。e）以PTFE为参考层的短路电荷密度。f）具有不同直径（即15、28和35 mm）的壳聚糖复合纤维素II气凝胶的物理图像。g，h）不同面积的TENG的输出开路电压和短路电荷。 3.4基于纤维素II气凝胶的TENG的应用 在实际应用中，作者造了独立的基于纤维素II气凝胶的TENG（CC21）（图 4a）。用手指轻拍基于纤维素II气凝胶的TENG就能点亮60个串联的绿色发光二极管（LED）和图案化的“ AG”字母形LED（图4b，c）。CC21设备能将电能存储以备后用，作者研究了电容（0.22–22 µF）和工作频率（1–8 Hz）对基于纤维素II气凝胶的TENG的充电性能的影响（图4d，e）。当电容器具有较小的电容或以较高的工作频率运行时，电容器充电速度快。TENG收集并存储在电容器中的电能可商用供电（图4f）。通过连接电路，当充电电压达到1.5 V的额定值时，商用计算器便开始工作，该过程仅需3 s。随后，计算器稳定的连续运行。这种TENG在自供电传感器还可以固定在袜子上以进行可穿戴运动监测（图4g，h，i）。 图4 使用基于纤维素II气凝胶的TENG采集机械能。a）TENG独立接触分离模式装置（CC21）。b，c）手指按下可以点亮60个LED和“ AG”图案。纤维素II气凝胶TENG的充电能力d）和e）。f）计算器供电以及充电电压曲线随充电时间变化情况。g）附着在袜子上的纤维素II气凝胶型TENG的照片。h，i）步行和跑步过程中的当前信号，用于实时人体运动监控。 4结论 本研究首次报道了基于纤维素II气凝胶的TENG作为机械能收集器和自供电传感器。纤维素II气凝胶是通过LiBr·3H2O溶解-再生过程制成的。所制备的纤维素II气凝胶具有互连的开孔3D网络结构，极高的孔隙率和大表面积。TENG具有很高的电气性能和出色的机械响应灵敏度。复合纤维素II气凝胶能够进一步提高相应TENG的性能。作者成功展示了TENG在商用LED和便携式计算器供电以及监测人体运动模式（例如步行或跑步）的潜在应用。这种研究实现了绿色、高性能、生态友好的能量收集和自供电系统。
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