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电纺纳米纤维在摩擦纳米发电机中的应用前景

能源环保    2021-09-18 17:09

1.Int. J. Pr. Eng. Man-GT.:生物相容性电纺纤维薄膜用于自供电人体运动传感器

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中国科学院王宏刚&李琳琳通过对生物相容性电纺纤维毡进行冷压,获得了具有纳米孔脑样结构(BUF)的超薄纤维膜,在此基础上研制出一种基于BUF膜的可穿戴TENG传感器,该传感器可灵敏地检测人体运动。

这种简单设计的自供电传感器由Kapton作为外壳,具有生物相容性的超薄聚L-乳酸和乙基纤维素(EC)纤维膜作为摩擦电层,通过简便的静电纺丝和冷压法制备而成。冷压纤维膜不仅结构紧凑,而且保持了多孔的表面形态,从而改善了TENG的摩擦电输出和操作稳定性。

BUF-TENG的摩擦电输出最大(3.5 Hz下为19 V,630 nA),使用寿命比TENG基初纺纤维毡要长。BUF-TENG的摩擦电输出和频率之间具有线性关系,在0.1-0.35、0.35-2和2-3.5 Hz范围内的灵敏度分别为32.4、0.94和0.22 V Hz-1。

还提出了一种基于BUF-TENG的自供电传感器,能够灵敏检测人行走状态和四肢运动。

DOI: 10.1007/s40684-020-00246-y

 

2. Nano Res.:具有自粘附水凝胶和压电纳米发电机的生物启发型混合贴剂,可促进皮肤伤口愈合

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华中科技大学朱锦涛&张连斌开发了一种具有自粘性水凝胶和压电纳米发电机(HPSP)的生物启发型混合贴剂,用于促进皮肤伤口愈合,它由贻贝启发的水凝胶基质和基于定向电纺聚偏氟乙烯纳米纤维的压电纳米发电机组成。

该装置具有优化的模量和渗透性,适合于皮肤穿戴,可以自粘于伤口部位,并局部产生由运动引起的动态电压。

HPSP不仅可以促进成纤维细胞在体外的增殖和迁移,而且还可以通过增加关键生长因子的表达,有效地促进体内胶原蛋白的沉积、血管生成和再上皮形成。HPSP将全层皮肤缺损的伤口闭合时间缩短了约1/3,从而大大加快了愈合过程。

DOI: 10.1007/s12274-020-2891-9

 

3.  Macromol. Mater. Eng.:电纺PVDF-TrFE纳米纤维的压电和静电特性及其在纳米发电机和应变传感器机电能量转换中的作用

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聚合物聚偏氟乙烯(PVDF)的压电和铁电纳米纤维已广泛应用于应变和压力传感器以及用于能量收集的纳米发电机中。尽管有这方面的兴趣,但机电能量转换机制仍存在争议,深入了解纳米纤维的压电或静电特性对于优化换能效率至关重要。

本研究在不同静电纺丝条件下制备了聚偏氟乙烯-三氟乙烯纳米纤维。通过压电和静电力显微镜对单个纳米纤维进行微观分析,比较了纤维膜的宏观机电响应。

静电纺丝有利于聚合物中压电β相的形成,并直接导致其压电性能与退火薄膜相当。然而,在静电纺丝过程中,电场强度不足以引起直接铁电畴极化。相反,在聚合物中观察到摩擦电表面电荷和捕获的空间电荷的积累,这解释了驻极体的宏观机电响应。

DOI:10.1002/mame.202000162

 

4. Adv. Mater. Technol.:柔性Janus电纺纳米纤维薄膜摩擦纳米发电机

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北京化工大学潘凯研究员团队开发了一种可穿戴的摩擦电纳米发电机(TENG),它完全由Janus电纺纳米纤维薄膜制成。

这种全纳米纤维的TENG不仅具有超轻量和高柔韧性,而且由于其多孔结构而具有优异的透气性。

不对称导电Janus结构也为改善电极与起电层之间较差的附着力提供了有效途径。

柔性、透气TENG在自供电可穿戴设备上有着巨大的应用潜力,可以从日常生活中获取各种机械能,实现对人体运动的实时监控。

DOI:10.1002/admt.201900859

 

5. ACS Appl. Polym. Mater.:具有增强的振动能量收集和传感特性的纳米纤维素基柔性复合纳米发电机

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本文报告了纳米纤维素增强的柔性复合压电纳米发电机(PENGs)的振动和压力传感性能。将表面氟化的纳米纤维素晶体(FNC)掺入聚偏氟乙烯(PVDF)中,并电纺成复合纳米纤维。

PVDF中仅掺入2wt%FNC即可显著提高压力灵敏度,可检测的压力极限非常低,仅为10 Pa,灵敏度高达18 mV/kPa。复合PENGs也显示出对强制连续振动的极高灵敏度。

对于给定的应变,2FNC/PVDF复合材料的电压响应比纯PVDF高一个数量级。

当将PENGs安装在真空泵上以将机械振动转换为电能时,2FNC/PVDF复合器件的电压输出比纯PVDF增强了约3.8倍,并且电容器的充电速度更快。

DOI:10.1021/acsapm.0c00158

 

6. Nano Energy:通过提高介电常数和分散性改善摩擦电纳米发电机输出性能

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东华大学黄涛老师课题组采用改进的双组分同轴静电纺丝法制备了PDMS/BT@PVDF核壳纳米纤维,构建了一种新型掺杂钛酸钡同轴纳米纤维摩擦纳米发电机,在纳米尺度上通过介电和分散性调制提高了输出性能。

将高介电常数的四相BT纳米膜引入到核壳纳米纤维的PDMS核心层中,取代了传统的复合膜。采用溶胶-凝胶水热法合成了四方相BT NPs,将BT NPs的含量调至2.4 wt%,验证了BT NPs在PDMS基质中的分散性优于PVDF基质。

由BTCN-TENG产生的电能可以点亮140个商用led灯,驱动电子手表、计算器和无线智能开关等智能设备,而无需外部能源。DOI:10.1016/j.nanoen.2020.104894

 

7. Chem. Eng. J.:含定向ZnO纳米线的柔性PVDF/尼龙11电纺纤维膜用于摩擦电纳米发电机

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将氧化锌纳米线(ZnO NWs)掺入电纺聚偏氟乙烯(PVDF)和尼龙11纳米纤维中,构建了基于PVDF-ZnO NWs/尼龙-ZnO NWs的新型TENGs。

ZnO NWs在静电纺丝过程中沿纤维轴排列。由于静电纺丝技术,在纤维中还实现了聚合物链与ZnO NWs的协同相互排列,从而促进了PVDF的高极性结晶β相和尼龙δ′相的形成。

在10-20 MΩ的外部负载下,掺入ZnO NWs的PVDF/尼龙11摩擦纳米发电机的最大功率密度高达3.0 W/m2。所制备的TENG具有改善的输出性能,可直接用于减轻100多个LEDs的重量。

ZnO NWs的掺入还改善了其热稳定性和机械性能,例如PVDF和尼龙11纤维膜的拉伸强度和弹性模量。这项工作为便携式电子设备提供了一种有效且可持续的电源。

DOI:10.1016/j.cej.2020.125526 

 

8. Soft Matter:由基于PVDF/滑石纳米片复合材料的电纺纳米织物开发新型柔性纳米发电机

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本研究开发了一种由电纺滑石/PVDF [聚偏氟乙烯]纳米复合织物组成的柔性压电纳米发电机。与原始PVDF纳米织物相比,这些纳米复合织物具有增强的机械和压电性能。

具有0.50wt%滑石的纳米复合织物在PVDF基体中产生了89.6%的极性β相,从而增强了其压电响应。

0.50 wt%滑石/PVDF纳米复合纤维基纳米发电机在重复手指施加模式下(在3.8 N的负载下)产生的开路电压和功率密度分别为9.1 V和1.12μW/cm2。

纳米发电机受到调频振动模式的影响,其中产生了8.9 V的输出电压。这种纳米发电机改善的柔性、机械强度和增强的压电响应性为其在便携式自供电设备中的应用铺平了道路。

DOI:10.1039/D0SM00341G