纳米|用于自供电传感器和可穿戴电子设备的织物辅助 MXene/硅纳米复合材料摩擦纳米发电机

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摩擦负电层的表面改性是提高摩擦纳米发电机（TENG）输出性能的重要因素。在此，使用织物辅助微图案化技术在具有 MXene 层（电荷捕获）的高度负性 MXene/硅胶纳米复合材料表面（电荷产生）上引入了一种新的可扩展表面改性方法，用于自供电传感器和可穿戴电子设备。微结构表面直接由织物模板制成，不需要表面活性剂、高压设备或高真空。为了提高所提出的双面接触 TENG (DSC-TENG) 输出性能，针对粗糙的微观结构（即 MXene 层和相对湿度）测试和优化了织物质地的不同参数。在最佳条件下，制造的 DSC-TENG 将扁平硅胶的电压和峰值电流密度分别提高了 9.8 和 20 倍。它在负载电阻为 0.18 MΩ 时表现出 55.47 W m-2 的最大峰值功率密度，并且使用 3 mg cm-2 的 MXene 含量使电阻相应降低 75% 。此外，还展示了基于 DSC-TENG 的电器智能家居控制、防盗保护、自供电电子设备、密码认证和通过智能手机进行的物联网人体运动监控。该方法可用于不同类型的聚合物，从而能够在工业应用中大规模制造高性能 TENG 。

韩国广运大学
1 简介
在过去十年中，生物力学能量收集在为可穿戴和便携式智能电子设备、自供电传感器框架和物联网 (IoT) 提供动力方面的潜在应用引起了越来越多的关注。对生物力学能量收集的高度关注是由于由此产生的低功耗、低成本特性、时尚的性质、多功能性、对恶劣环境的稳健性和轻便性。此外，通过智能手机进行无线通信的可穿戴和便携式传感器正在取得重大进展，用于健身和持续监测医疗保健。然而，这些智能设备和传感器由可更换或可充电电池供电，这些电池体积庞大、环境危险、更换复杂，有时价格昂贵。因此，从人体运动中获取生物力学能量对于解决这些问题和实现可持续能源的有希望的来源和可穿戴/便携式设备的运行非常重要。
能量收集可以从日常生活活动中进行，例如呼吸、拍手、眨眼、锻炼、拍手和触摸物体（计算机、手机和车辆的不同部分）。此外，从人体运动中采集是环保、安全、通用且始终可用且可靠的，不需要二次电池并提供持续电源。已经开发了许多方法来收集人体运动能量；然而，还有许多问题需要解决，例如采集器的耐磨性、功率密度、设备可行性以及采集器在实际应用中的实用性。与人体运动有关的最具挑战性的部分是从低频和随机频率中获取大量能量，然后为可穿戴/便携式电子设备供电。
摩擦纳米发电机 (TENG) 是一种创新的能量收集和主动传感技术，在提取生物力学和环境能量方面表现出显着的能力。因此，可穿戴和便携式 TENG 的制造构成了一种很有前途的织物技术，这些织物具有可卷曲、可弯曲、便携、可折叠、可长期用于日常生活的特点。织物和纱线形式的可穿戴/便携式 TENG 的开发取得了重大进展。然而，基于织物的 TENGs 的输出性能仍需要提高，以便为可穿戴/便携式电子设备供电。特别是， TENG 的两个重要限制是它们的高值内部阻抗匹配和低功率密度，这些限制仍然广泛用于商业用途。以前很少有研究关注 TENG 阻抗匹配降低。这些研究显着提高了输出功率密度。 TENG 的固有阻抗（≈10 到 100 MΩ）远高于普通智能电子设备的阻抗。然而，需要开发 TENG 材料或器件设计以优化其固有阻抗。此前，许多研究小组试图为智能电子设备制造更一致的 TENG 。研究了几种提高输出性能的方法，例如摩擦电材料的表面改性（物理和化学）以增加摩擦/接触面积、复合聚合物、电荷俘获层、复杂的设备设计以及添加其他能量收集器。尽管在摩擦电材料表面上进行表面修饰（微/纳米结构）很困难，但光刻方法（干蚀刻工艺）成本高昂，并且意味着需要长期制造工艺。此外，复合层的开发和化学改性也需要时间并且可能是危险的。此外，在外部环境条件（湿度、温度和灰尘）下，实现不变且高度稳定的 TENG 输出性能是一项重大挑战。同时， TENG材料的表面在潮湿或恶劣的环境中会积聚水滴，这可以减少产生的摩擦电荷数量，尽管它们的表面和输出性能会降低。此外，潮湿的环境可能会影响 TENG 的输出性能。然而，一些研究小组通过使用超疏水性 TENG 材料解决了湿度问题。这些超疏水材料既昂贵又复杂。此外， TENG（正负摩擦材料）的材料选择对于提高 TENG 的输出性能至关重要。目前， 2D MXene 是其他电负性摩擦材料的有前途的替代品，可提高 TENG 的输出性能。 Dong 等人提出了一种由基于 MXene 的 TENG 和氧化铟锡 (ITO) 处理的聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 组成的负极材料。此外，一些研究小组报告了基于聚合物/MXene 复合材料的 TENG 在传感器中的各种应用。然而，基于 MXene 的可穿戴/便携式自供电 TENG 在实现实时应用方面仍面临一些困难，例如它们的低输出功率密度和相对较低的灵活性。之前报道的大多数生物力学能量收集系统都是基于固定在人体上的外部设备。最近，研究表明，人体本身可以作为一种材料，通过接触过程产生能量。根据报道的摩擦电系列，人体皮肤可以是采用 TENG 策略的正摩擦材料。人体皮肤不能用作金属电极，但 TENG 通常需要在摩擦材料上沉积金属电极以实现高效的输出性能。这些问题可以通过基于单电极的 TENG 解决。人体皮肤可用于生物力学能量收集和构建触觉平台的新技术。