鑽石舞台

■近日，河南理工大學周愛國課題組與和河南大學鄭海務課題組，在國際知名期刊Nano Energy上發表題為「MXene supported by cotton fabric as electrode layer of triboelectric nanogenerators for flexible sensors」的研究論文。該論文將棉織物浸入在Ti3C2 MXene懸浮液中，無需任何複雜的化學合成，得到具有良好電負性的柔性導電膜。該導電膜作為電極層，與硅膠構建單電極的摩擦電納米發電機（TENG）。這種新型TENG表現出良好的力學性能與電學性能，不需要外界供能，可以通過觸摸精確測量導電物體的質量，可以作為柔性傳感器，用於監測人體的生理信號。

■實時監測人體的各種生理信號對於人體健康評估來說是至關重要的。柔性傳感器通常作為可穿戴設備，用於檢測人體的生理信號。然而，大多數柔性傳感器檢測電容、電阻、壓電信號的變化，需要頻繁的充電，這極大地限制了其潛在的實際應用。摩擦電納米發電機（TENG）是一種新型的低頻能量收集技術，它可以可持續地將機械能轉化為電能。然而，TENG 要想與可穿戴傳感器兼容，還需要良好的柔性。柔性TENG要求摩擦層和電極層都具有柔韌性和拉伸性，且要求其性能良好並穩定，不會因拉伸、扭轉、彎曲或其他外力因素而損壞。因此，選擇合適的電極材料對於柔性 TENG 的正常和穩定輸出至關重要。

■鑑於此，河南理工大學周愛國課題組與河南大學鄭海務課題組合作報道了一種新型的TENG。將棉織物浸入在Ti3C2 MXene懸浮液中，無需任何複雜的化學合成，得到具有良好電負性的柔性導電膜。該導電膜作為電極層，與硅膠構建單電極的摩擦電納米發電機（TENG）。這篇報道成功的解決了TENG電極層因失水、破損、柔韌度較低等影響傳感性能的問題。這種新型的TENG 可以在單電極模式下產生高達400V的開路電壓。收集的能量可以直接為32個串聯的綠色發光二極管或電容器提供動力。與以往的傳感器相比，新型 TENG 傳感器具有以下優點：

(1)採用簡單的浸漬法製備，

(2)可實現自供電傳感，

(3) 輸出電壓幾乎與被接觸物體的質量呈線性變化，

(4)具有良好的穩定性，使用壽命長，

(5)棉織物作為基底具有較高的靈活性，同時保證了較高的電壓輸出。

■ 研究要點1：

作者將Ti3C2Tx MXene作為浸漬溶液，在MXene溶液中摻入不同質量的纖維素納米纖維（CNF）溶液。CNF的引入，促進了MXene納米片之間的互聯，增強了TENG的輸出性能。硅橡膠表面旋塗銀納米線，增強了電子的傳輸能力。以棉織物支撐的MXene/CNF薄膜作為電極，保證了TENG的靈活性，並將此命名為MC-TENG。

圖1.MC-TENG製備工藝示意圖。

■ 研究要點2：

由於靜電吸附，MXene/CNF混合物均勻地分散在棉織物表面。XRD、掃描電鏡（SEM）和EDS元素映射圖也證明了這一點。

圖2. MXene/CNF棉織物電極的微觀表徵。

■研究要點3：

作者通過對比實驗證明了MXene與CNF的比例為4:1時，MC-TENG有着最高的電壓電流輸出。硅橡膠表面的銀納米線也是一個影響TENG輸出性能的重要因素。實驗結果表明，在硅橡膠表面旋塗銀納米線後，TENG的輸出性能會有大幅度增加。

圖3. 影響MC-TENG輸出性能的研究。

■研究要點4：

根據摩擦納米發電機的工作原理，通過接觸分離和靜電感應的耦合便可持續產生輸出信號。

圖4. MC-TENG在單電極模式下的工作原理。

■研究要點5：

MC-TENG可以將日常環境中的機械能持續地轉化為電能，連接電阻負載，可以表徵其功率密度。收集的能量可以為電容器充電，點亮LED燈。

圖5. MC-TENG對機械能的收集與應用。

■研究要點6：

TENG的輸出電壓與接觸物體傳遞的電子容量有關。從電壓出發，可以檢測接觸物體的電容量。電容量與物體的質量或體積成正比。因此，TENG可以通過接觸來感知物體的質量或體積。精確檢測的質量範圍為2g-200g。

圖6. MC-TENG感知鋼塊質量。

■研究要點7：

以上研究證明，TENG具有較高的靈敏度、可識別性，具有巨大的傳感應用潛力。因此，它可以作為自供電傳感器來監測人體的運動。還可以根據不同情況的拉伸、彎曲、摺疊、書寫產生特定的峰值信號。

圖7. MC-TENG用於人體自供電傳感。

圖8. MC-TENG在不同應變水平下的輸出信號與感知書寫。

▉ 研究總結 ▉

■作者將棉織物浸漬在MXene和CNF的混合溶液中得到電極層，然後將電極層與硅橡膠組裝成一種新型的TENG。MC-TENG可以在人手掌的按壓釋放過程中輸出~400 V的電壓。由MC-TENG收集的能量可以照亮32個綠色LED。根據電壓可以感知2g-200g鋼塊物體的質量。同時，TENG對機械刺激有着超高的靈敏度，根據不同的拉伸，彎曲和摺疊產生特定的峰值信號。可以識別書寫，可作為可穿戴式自供電傳感器，實現對人體各種運動的實時監測。這項研究工作為可穿戴傳感器的製備提供了一個新的參考。研究生樊嘉誠為本文第一作者，周愛國為通訊作者。

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https://authors.elsevier.com/sd/article/S2211-2855(22)01051-5