聂双喜教授Nano Energy：高湿环境下自供电传感的纤维素摩擦电材料

摩擦纳米发电机（TENG）作为未来能源技术的发展方向之一，自问世以来受到学术界的广泛关注。它被认为是分布式能源发电领域的一个里程碑式的发现。基于结构简单、方便、自供电等优点，其在自供电传感领域具有广阔的应用前景。然而，摩擦电材料在高湿环境下工作性能较弱，限制了TENGs作为传感器的广泛应用。因此，开发一种高湿环境下性能优良的摩擦电材料来拓宽TENGs作为传感器的应用范围显得及其紧迫。

王双飞院士团队"先进木质纤维材料"课题组以天然纤维素为模板制备了亲水性摩擦电材料，为高湿环境下实时自供电传感提供可持续输出。模板化过程中纤维素与湿敏材料的协同作用提高了材料的亲水性。研究发现，该摩擦电材料具有高灵敏度(0.8/1%)和高稳定性(150 s)的良好性能，能够在高湿环境下进行可视化湿度传感和呼吸监测。这项成果以题为“Cellulose template-based triboelectric nanogenerators for self-powered sensing at high humidity”发表在《Nano Energy》上。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108196

图1. 纤维素模板基摩擦电材料的制备。(a)纤维素/Ti3C2Tx复合材料的制备和结构连接示意图。(b)原始竹片与纤维素/Ti3C2Tx复合材料接触角的比较。(c)水分子穿过层状结构的示意图。

图2. 纤维素模板基摩擦电材料的表征。(a)纤维素摩擦电材料实物图及内部结构图。(b)不同条件下纤维素/Ti3C2Tx复合材料的FTIR光谱。(c)不同条件下纤维素/Ti3C2Tx复合材料的拉曼光谱。(d)纤维素/Ti3C2Tx复合材料的高分辨率C1s峰。(e)不同条件下纤维素/Ti3C2Tx复合材料的XRD谱。(f)不同条件下纤维素/Ti3C2Tx复合材料电导率的比较。(g)不同条件下纤维素/Ti3C2Tx复合材料孔径的比较。(h)不同条件下纤维素/Ti3C2Tx复合材料的孔密度比较。(i)不同条件下纤维素/Ti3C2Tx复合材料孔隙体积的比较。

图3. 纤维素摩擦电材料的摩擦电性能。(a)基于纤维素/Ti3C2Tx复合材料的TENG结构示意图。(b)四种材料的输出电压比较。(c)四种材料的输出电荷比较。(d)四种材料的输出电流比较。(e)不同厚度材料的输出电压比较。(f)四种材料的负载输出电压比较。(g)四种材料负载输出电流的比较。(h)四种材料负载输出功率的比较。(i)脱木质素8 h后Ti3C2Tx浸渍的输出稳定性试验。

图4. 纤维素摩擦电材料的湿敏特性。(a)湿度试验装置实物图。(b)水分子传感机理示意图。(c)有和无水分条件下的电压输出图。(d)有和无水分条件下的电荷输出图。(e)湿度敏感材料在80% RH湿度下的循环稳定性试验。(f)不同湿度水平下湿敏摩擦电材料输出的电学性能和线性曲线。(g)在高湿环境中无线感应电压信号的可视化。

图5. 湿敏纤维素摩擦电材料用于高湿环境下自供电传感。(a)无线传感原理图的可视化。(b)水分子在湿敏感材料孔隙通道中的运动示意图。(c)非接触式湿度传感原理图。(d)非接触式湿度传感电压输出。(e)非接触式湿度可视化传感电性能数据。(f)人体呼吸湿度监测示意图。(g)呼吸时感应电压输出。(h)呼吸时湿度感应的视觉感应。(i)手指在不同距离的湿度感应示意图。(j)不同距离感应湿手指的电压输出。(k)可视化感知不同距离湿手指的电性能数据。

此研究以天然纤维素为模板制备了亲水摩擦电材料，并将其用于高湿环境下的自供电传感。这种湿敏摩擦电材料在宽湿度范围内(40%-90% RH)具有高灵敏度(0.8/1%)和高稳定性(150 s)。基于这种湿敏摩擦电材料的优异性能，本工作设计了一种呼吸监测和非接触式人机界面。该传感器可以在高湿环境下通过蓝牙将电信号传输到手机终端，实现实时自供电传感。这为高性能湿敏材料的开发和应用提供了坚实的基础，显示了可拓展自供电传感领域的巨大潜力和应用前景。

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。

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