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( 二 )

为了克服这些挑战，我们提出了一种基于双面接触的 TENG (DSC-TENG) ，并在具有 MXene 层和导电织物的高度负性 MXene/硅胶纳米复合材料表面上使用独特的微结构引入了织物纹理。
在此，我们使用市售的尼龙涂层织物制成的 DSC-TENG 用于微观结构、人体皮肤用于正极接触、Ag 涂层导电织物（集电体）、MXene/硅胶纳米复合材料（电荷产生层）和 MXene（电荷捕获层））。有趣的是，通过采用具有不同表面纹理的商业织物， MXene/硅胶纳米复合材料表面产生的微结构增加了有效接触面积并提高了输出功率密度。此外，我们研究并优化了纳米复合材料中 MXene 的浓度，并提高了摩擦电材料的表面电荷密度。之前的研究引入了聚合物复合材料和带有二维材料的聚合物夹层，可以避免潜在的损失并提高 TENG 的输出功率密度。在这项研究中，我们使用 2D MXene 作为 MXene/硅胶纳米复合材料和织物电极之间的电荷捕获层。 MXene 层增加了介电常数，同时增加了超高输出功率密度并降低了匹配电阻。织物上的 MXene 层会进一步收集负电荷。这些结果通过表面电位测量得到验证。在连续研究织物辅助微结构、MXene 与有机硅的比例以及 MXene 含量比的影响后，优化的 DSC-TENG 相对于扁平有机硅的电压和峰值电流密度有所提高。 DSC-TENG 可以定制为任何预期尺寸，并且在存在生物力学运动的情况下已被证实具有高输出性能。此外，我们使用具有 MXene 层的 MXene/硅胶纳米复合材料中的微结构制造了单织物电极和双人皮肤接触型 DSC-TENG 。精心设计的DSC-TENG防水、防潮、输出性能稳定耐用、亲肤功能、佩戴柔软舒适。 DSC-TENGs 的输出性能已经在不同的人类运动方面得到了广泛的研究，例如拍手、拍手、跺脚、步行、跑步、跳跃和弯曲（肘部和颈部）。此外，还研究了 DSC-TENG 对不同物体（衬衫、椅子的内部和外部，以及盆中的水滴）的适用性，以从各种资源中实际产生能量并确定广泛的应用机会。研究了 DSC-TENG 在不同人体运动条件下产生的电压、峰值电流密度和功率密度，然后将其作为整流电压存储在电容器中。 DSC-TENG 高度灵活，对人体运动反应灵敏，可用作人体运动传感器来监测人体活动的姿势和幅度。制造的 DSC-TENG 证明了它们在 LED 照明、电器（风扇和灯）的智能家居控制、用于防盗的自供电智能桌面安全系统以及商用可穿戴/便携式智能电子产品（计步器、秒表和数字湿度计）的实际适用性）。此外，我们展示了使用可穿戴且灵活的基于键盘的 DSC-TENG 传感器的密码认证。最后，还使用 DSC-TENG 传感器通过 IoT 中智能手机的 Web 应用程序实时步行演示了人体运动检测系统。本研究的主要目的是开发一种高功率密度、耐用且防水的 DSC-TENG ，使用来自织物纹理和 MXene 层的 MXene/硅胶纳米复合材料中的微结构，以简便且低成本的制造方式有效利用不同类型能量收集源，即使在恶劣的环境中。
2 结果与讨论
图 1a 显示了 MXene 纳米片（S1：通过优化的最低强度分层工艺合成）和具有分子结构的有机硅以及由 MXene/有机硅纳米复合材料内部的有机硅链组成的 MXene 片的示意图。图 1b 显示了用微结构 MXene/硅胶纳米复合材料涂覆在导电织物上的 Mxene 层的逐步制造过程。通过将 MXene/硅胶纳米复合材料（电荷产生层）与 Mxene（电荷俘获层）和导电织物（电荷收集器）相结合，制造了一种高度柔软和灵活的单织物电极和双面接触 TENG 。 MXene、MXene/硅胶纳米复合材料、织物辅助微结构和织物上的 Mxene 层的一致沉积和形态通过 FESEM 进行表征（图 1c-g）。 MXene 的 FESEM 和 TEM 图像（图 1c）显示 MXene 层的平均厚度小于 40 nm ，并显示出类似手风琴的自由多层结构。具有 Mxene 层 TENG 的组装织物辅助微结构 MXene/硅胶纳米复合材料表现出优异的柔软性和柔韧性，包括滚动、扭曲和起皱（图 S1 ，支持信息）。图 1d 显示了织物纹理的 FESEM 图像。除了确认稳定的独特阵列微结构外， MXene/硅胶纳米复合材料表面还通过织物纹理进行微结构化（图 1e）。导电织物上 Mxene 层的 FESEM 图像和高倍放大图像显示存在 MXene（图 1f、g）。我们使用 EDS 分析研究了织物顶部超声波处理的 MXene 颗粒的存在。 FESEM EDS 元素分析描绘了 C (31.30%)、O (24.61%)、F (12.19%)、Al (1.04%)、Cl (1.51%) 和 Ti (29.37%) 的原子量分布，从而确认MXene 在织物上的存在（图 S2 ，支持信息）。图 1h 显示了基于人体皮肤的双面接触 TENG 的示意图，具有多种应用，包括能量收集、使用智能家居控制的自供电传感器以及使用物联网平台监测人体运动。在我们之前的研究中，我们使用 EDS 映射、XPS、拉曼光谱和 XRD 分析来研究 MXene 在有机硅中的分布，以进行材料表征。从这些之前的分析中，我们发现 MXene 完全集中在纳米复合材料表面，均匀分布，并成功地与有机硅和 MXene 结合。