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中国地质大学郝向阳教授Nano Energy:抗菌摩擦电纳米发电机用于可穿戴电传感器

公司新闻    2022-03-23 10:32

目前,可再生能源和绿色能源备受关注。随着纳米技术的发展,出现了纳米发电机。其中,摩擦电纳米发电机(TENGs)具有广泛的应用前景和易于制造的优点。作为新一代器件,由柔性材料组装而成的摩擦电纳米发电机具有设计灵活、成本低、输出性能稳定等特点,可广泛应用于可穿戴、自供电的人体医疗检测传感器。可穿戴传感器长期与人体皮肤接触,暴露在空气环境中,极易成为细菌生长的温床,因此,抗菌性能成为TENGs作为可穿戴传感器的重要前提。

 

鉴于此,中国地质大学(北京)郝向阳教授和电子科技大学张岩教授(共同通讯作者)等人使用北京永康乐业静电纺丝机开发了一种柔性溴化丁基橡胶(BIIR)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)用作摩擦材料,并且在进行各种成膜和表面粗糙化处理后,组装成拱形垂直接触分离式摩擦电纳米发电机(CS-TENGs)。为了获得最佳的发电效果,作者研究了摩擦材料的处理和组装方法。此外,由于BIIR薄膜的生物相容性和固有的抗菌性能,制造出来的摩擦电纳米发电机也被应用于可穿戴式自供电传感器设备,证明了其在识别和步态分析领域的潜力。研究成果以题为“Wearable and self-powered sensors made by triboelectric nanogenerators assembled from antibacterial bromobutyl rubber”发布在国际著名期刊Nano Energy上。

 

图1 :A)由不同处理方法制备的BIIR和PET薄膜组装而成的拱形接触式TENG的示意图;B)由BIIR和PET膜组装的接触分离式TENG的工作模式示意图;C)用BIIR和PET胶片组装的TENG的实际设备照片。

 

图2:不同方法制备的BIIR膜的SEM图像,A)静电纺丝;B)涂膜;C)具有线形结构的压缩成型;D)具有点状结构的压缩成型;E)线形模具的光学显微镜图像;F)点状模具。

 

图3、制备好的TENG鞋垫用于身份识别和步态分析,A-B)TENG鞋垫被不同的人用于身份识别:男测试员、女测试员;C-F)TENG鞋垫用于步态分析:轻快行走、慢走、奔跑和跳跃;G-H)当脚步缓慢或快速时,放大检测到的信号。

 

综上所述,作者研制出了由BIIR和PET组装而成的拱型接触分离TENGs,具有安全、无毒、与人体生物相容性好等特点。采用不同的方法制备了BIIR薄膜,并在两种摩擦材料上生成粗糙表面,以提高其电输出性能。在所制备的TENG中,用静电纺丝法制备的BIIR薄膜与300目304不锈钢网复合PET薄膜组装的TENG,在40 N的力下最大输出电压可达40 V。

 

此外,静电纺丝法制备的BIIR薄膜具有良好的固有抗菌性能,对其在人体自供电传感器中的应用具有重要意义。TENG用作自供电传感器来检测人体运动状态,特别是用于步态分析。该方法可用于步态识别,不同人的步态曲线存在明显差异。同时,TENG能检测出行走、跑步和跳跃等不同的运动状态,每种活动的步态曲线都有显著差异。总之,该研究为TENGs的材料和设计提供了深入的见解,并且将促进自供电可穿戴设备的发展,以供实际应用。

 

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.105769

 

复合纳米纤维的可控构建赋予材料更加丰富的性质,2021年,永康乐业研发了一款全能型电纺机SS-X3。SS-X3电纺机不仅能可实现共轭静电纺丝、同轴静电纺丝、静电喷雾等以及他们之间的两两组合,并且可以与微流控、层层自组装、相分离等多个创新性技术领域结合制备出多组分多结构材料。还能通过调节环境参数制备不同形貌、特征的样品,以及稳定输出实验室量级的卷材样品。SS-X3电纺机,预计会成为静电纺丝技术研究领域的重要科研设备。

 

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