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華科大楊光教授團(tuán)隊(duì) AFM: 基于生物制造的超疏水織物型TENG用于能量收集和運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)
2023-07-30  來(lái)源：高分子科技

  近日，華中科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院楊光教授團(tuán)隊(duì)以細(xì)菌纖維素（BC）為基材，結(jié)合濕擰、生物制造以及納米摻雜等工藝方法，設(shè)計(jì)了一種具有新型超疏水導(dǎo)電纖維(SEBC fiber)，并以此構(gòu)建具有自清潔和抗污性能的可降解超疏水織物型納米摩擦發(fā)電機(jī)(SF-TENG)。相關(guān)研究?jī)?nèi)容以“Fabric-Based TENG Woven with Bio-fabricated Superhydrophobic Bacterial Cellulose Fiber for Energy Harvesting and Motion Detection”為題發(fā)表于國(guó)際權(quán)威期刊《Advanced Functional Materials》上，華中科技大學(xué)在讀博士生陳坤為第一作者。


圖1.（a）運(yùn)動(dòng)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖；（b）SF-TENG示意圖；（c）SF-TENG的織物結(jié)構(gòu)示意圖；（d）SEBC纖維的制備過(guò)程；（e）生物制造過(guò)程；（f）殼核結(jié)構(gòu)示意圖。


  織物型納米摩擦發(fā)電機(jī)（Fabric-based TENGs）具有開(kāi)發(fā)為織物型可穿戴器件的前景，其出色的輸出性能、柔性和可穿戴性受到了科研人員的廣泛關(guān)注。然而，織物的縫隙結(jié)構(gòu)往往會(huì)導(dǎo)致織物型摩擦發(fā)電機(jī)的表面積累污染物，進(jìn)而影響到織物型摩擦發(fā)電機(jī)的使用性能和壽命。


  研究人員將碳納米管（CNTs）摻雜至細(xì)菌纖維素表面，通過(guò)濕擰工藝得到導(dǎo)電的BC基纖維線，一次超疏水改性使其具備初級(jí)的超疏水性能，而后將其置于木醋桿菌培養(yǎng)基中實(shí)施生物制造過(guò)程以形成殼核結(jié)構(gòu)，最后對(duì)具有殼核結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電纖維線進(jìn)行二次超疏水改性得到超疏水導(dǎo)電纖維線。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，研究人員創(chuàng)新性地使用了生物制造的工藝方法，原位構(gòu)建了高性能的殼核纖維結(jié)構(gòu)，殼層具有堅(jiān)固的超疏水性能和介電性能，支撐自清潔特性及摩擦電性能，核層細(xì)菌纖維素具有優(yōu)異的機(jī)械性能，支撐其纖維特性和可編織的特性。表征結(jié)果顯示，所構(gòu)建的SEBC纖維線具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能、機(jī)械性能、可生物降解性和堅(jiān)固的超疏水性能。進(jìn)一步，研究人員以SEBC纖維線構(gòu)建了超疏水織物型納米摩擦發(fā)電機(jī)（SF-TENG），并測(cè)得其最大開(kāi)路電壓（VOC）為266.0 V、最大短路電流（ISC）為5.9μA、最大輸出功率為489.7μW，此外，SF-TENG繼承了SEBC纖維優(yōu)異的超疏水性能，能夠在各種液體污染的情況下穩(wěn)定輸出。最后，為了測(cè)試實(shí)際使用性能，研究人員將SF-TENG與衣物結(jié)合，構(gòu)建了能夠檢測(cè)運(yùn)動(dòng)信號(hào)的智能衣物和一套運(yùn)動(dòng)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并用于各種運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景下的運(yùn)動(dòng)行為監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明SF-TENG能夠在各種污染以及復(fù)雜環(huán)境條件下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)，證明了所構(gòu)建的SF-TENG在可穿戴設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用前景。 


圖2.（a，b，c）BC纖維、EBC纖維和SEBC纖維；（d）SEBC纖維表面的微納結(jié)構(gòu)表征；（e）殼核結(jié)構(gòu)交界處的微納結(jié)構(gòu)表征；（f，g，h）SF-TENG織物。


圖3.（a）EBC纖維和SEBC纖維的導(dǎo)電性；（b，c）纖維的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、拉伸強(qiáng)度、楊氏模量；（d，e）SEBC纖維與水及HCl，NaOH，NaCl，PBS溶液的接觸角；（f）對(duì)應(yīng)的接觸角數(shù)值；（g）SEBC纖維和SEBCⅰ纖維線的超疏水耐久性實(shí)驗(yàn)；h）生活常見(jiàn)液體滴在SF-TENG的表面狀態(tài)；（i）SF-TENG的自潔性能；（j，k）BC纖維和SEBC纖維的生物可降解性能表征。 


圖4.（a）雙電極模式下的SF-TENG的示意圖；（b）SF-TENG與PTFE、PVC、PDMS、Dacron、Nylon以及cotton組合時(shí)的輸出電壓；（c，d，e）SF-TENG在不同頻率下的VOC，ISC及QSC；f，g）SF-TENG在不同濕度下及不同壓力下的輸出電壓；（h）SF-TENG在不同負(fù)載電阻下的瞬時(shí)功率；（i）SF-TENG穩(wěn)定性測(cè)試；（j）對(duì)不同電容器的充電測(cè)試。 


圖5.（a）智能衣物和運(yùn)動(dòng)與健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建示意圖；（b，c）智能衣物照片；（d，e，f，g）在不同抬腿速度、不同抬腿高度、不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、不同液體污染條件下檢測(cè)到的運(yùn)動(dòng)信號(hào)；（h）運(yùn)動(dòng)與健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在戶外的場(chǎng)景下進(jìn)行測(cè)試；（i，j）電路系統(tǒng)；（k）監(jiān)測(cè)軟件的屏幕截圖。 該工作由華中科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院楊光教授團(tuán)隊(duì)完成。論文第一作者為華中科技大學(xué)博士生陳坤。華中科技大學(xué)楊光教授、華中科技大學(xué)石志軍博士、湖北科技學(xué)院胡三明博士為該文章的共同通訊作者。


  該工作得到了金磚國(guó)家科技創(chuàng)新框架計(jì)劃（3rd call 2019）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（批準(zhǔn)號(hào) 2018YFE0123700）、國(guó)家自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號(hào) 51973076）、中央高；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（批準(zhǔn)號(hào)：2020kfyXJJS035）等的支持。該工作同時(shí)感謝華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院吳豪老師團(tuán)隊(duì)的協(xié)助。


  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202304809


  論文引用：Chen, K.,Li, Y., Yang, G., Hu, S., Shi, Z., Yang, G., Fabric-Based TENG Woven with Bio-Fabricated Superhydrophobic Bacterial Cellulose Fiber for Energy Harvesting and Motion Detection. Adv. Funct. Mater. 2023, 2304809. 

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