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葡萄牙Kholkin教授综述:天然材料摩擦收集电能–替代摩擦电纳米发电机(TENGs) 精选

已有 2238 次阅读 2020-3-26 23:09 |系统分类:论文交流|关键词:学者| 天然材料, 干叶粉, 摩擦电能收集, 聚偏二氟乙烯

Naturaland Eco‑Friendly Materials for Triboelectric Energy Harvesting

Vladislav Slabov, Svitlana Kopyl, Marco P. Soares dos Santos, Andrei L. Kholkin*
Nano-Micro Lett.(2020)12:42
https://doi.org/10.1007/s40820-020-0373-y
本文亮点
1 提供了用于摩擦电能收集天然材料的最新综述。

2 识别并比较不同材料电输出的主要参数。

3 以接触分离模式将干叶粉与聚偏二氟乙烯结合使用可获得最佳结果(14 mW)。

研究背景
到目前为止科学界已经发现了几种天然材料,它们能够从机械动力中收集电能。人类在日常生活中可能会提供大量的机械能,这类材料可以通过摩擦发电将其转化为大量的有用能量。本文总结了相关文献报告,重点介绍了该领域的重大科学成就,主要总结了基于天然材料的相关发现。这些材料可以替代完全聚合的摩擦电纳米发电机(TENGs),从而可通过摩擦电效应将其用于产生大量电能。
内容简介

摩擦电纳米发电机(TENGs)具有广阔的前景,因为它们可以利用环境中的机械动能激发产生可再生的清洁能源。近年来,已经提出了几种基于生物相容性和生态友好型天然材料的摩擦式能量收集器设计。他们具有为多种应用提供自供电的能力,包括生物医学设备,压力和化学传感器以及电池充电设备。阿威罗大学Andrei L. Kholkin团队这篇综述总结了在摩擦电能收集领域,使用生物相容性和环境友好型材料所取得的重大进展,还介绍了相关制备、测试和分析方法。基于干叶/聚偏二氟乙烯的TENG设备已经实现了高达14 mW的功率。这些发现凸显了生态友好型自供电系统的巨大潜力。

图文导读
I 摩擦电纳米发电机

由于电荷产生现象主要发生在纳米级,因此基于摩擦电效应的能量收集装置称为摩擦电纳米发电机(TENGs)。已经确定了四种工作模式来表征TENGs并将其应用于电能收集:垂直接触分离模式,横向滑动模式,单电极模式和独立摩擦电层模式(图1a)。在运动过程中,材料表面会产生相反的电荷,如果表面积根据材料的组成和结构的不同而增加和变化,则电荷的量将显着增加。由于目前用于TENG的最常用材料是聚合物,因此主要策略是对其表面进行了改性以增加输出电流和电压。

图1 摩擦电纳米发电机(TENG)的主要模式和构造示例。

II 基于植物材料的摩擦电纳米发电机

众所周知,摩擦电效应的基础是在两种不同材料接触时将动能转换为电能,其作用方式与面积有关。植物材料提供了广泛的自然表面,使其可以用作摩擦体。许多植物(例如,花瓣中)自然会发生摩擦电化,这些植物已经被用于增加摩擦力。花瓣表面的特征是复杂的微结构,自然会扩大表面之间的接触面积(图2a)。利用这些特性,使用花瓣制作的TENG能够通过振动应力为商用LED供电。图2b给出了杜鹃叶子中各层的示意图。最近的研究结果清楚地表明,叶体的各个部分可以用作电子器件结构,尽管它们必须与其他介电材料接触以最大化电功率。由于任何植物的天然叶子都充满水并且包含电解质,因此它们也可以用作导电液体。图2c演示了电解质如何允许叶片来收集摩擦电能。此外,基于新鲜叶片和干燥叶片上的粉末可以设计一种混合风力-TENG(WTENG)(图2d)。

图2 玫瑰花瓣的表面以及与花瓣的接触分离模式TENG的示意图。

由于纯纤维素也可用于生态友好的摩擦发电,可以使用带有涂层氧化石墨烯的纤维素纸作为摩擦电对材料,该TENG能够产生高达120V的电压。此外在另一项研究中,研究人员制造了厚度为10 µm的纤维素/磷杂化TENG(图3a)。纤维素纳米纤维与磷的混合增强了TENG的性能抗氧化能力。另一项研究使用BaTiO3纳米颗粒作为填料制备了纤维素气凝胶,并使用PDMS对其进行了涂层。该柔性混合动力PENG-TENG纳米发电机能够产生高达48 V的电压。

图3 用于设计TENG的植物加工产品:纤维素/磷杂化TENG和使用演示。

III 生态友好型和生物相容性TENG的应用

环保且具有生物相容性的TENG已经在实际应用中大放异彩。例如,新鲜的玉米叶与PMMA膜的复合材料可以用于温度感应和LED供电。这些TENG拥有收集能量和重新利用聚合物的潜力,这是一个重要的优势,因为纯聚合物材料无法完全回收。TENG与人体皮肤的相容性使其可以作为与人体直接接触的柔性设备来使用。蚕丝纤维和镁的复合膜可以成功地调节心肌细胞簇,这种可植入式TENG在24小时手术期间的性能显着下降,这种具有定制时间的可植入设备为治疗和疾病诊断提供了广泛的机会。而且,基于蚕丝的可植入式TENG还可用于药物输送和癫痫发作的监测(图4d)。蚕丝纤维的生物相容性表明它们可用作抗菌补丁,贴于感染伤口处7天,其对金黄色葡萄球菌的抗菌率为67.4%。

图4 NBP获得来源和典型的BN-TENG设备的结构图。

IV 基于天然材料的TENG的整体性能

基于天然叶片,植物材料,纤维素和聚合物及其性能的广泛研究可以得出结论,输出电压和电流受材料结构的影响,并且在很大程度上取决于测量条件。这一事实表明,需要统一测试标准,应遵循类似的方法来分析不同的材料。不幸的是,许多研究报告说,在不同的机械激发(施加的力和频率)和样品的大小(接触面积)下对TENG进行了分析,因此无法进行简单的比较。但是,能量特性在很大程度上取决于尺寸和机械激励(图5a,b,d)。图5c演示了接触角的其他测量方法。这些研究可以确定材料的浸润性及其极性:通过增加接触角,极性转变为负电荷。开尔文探针力显微镜也可用于表征极性。图5e显示了触摸刺激前后TENG表面上电荷分布的示例,它可以研究摩擦电效应中电荷转移的机理以及在摩擦过程中叶片脱水的影响。这些测量结果表明,干燥的叶片可以使实际的能量转换部位(表皮)与存在于水合生物组织中的电荷传输回路分离。

图5 影响TENGs输出性能的因素:激发频率的影响。

作者简介


AndreiL. Kholkin教授

本文通讯作者

葡萄牙阿威罗大学

主要研究领域
铁电材料领域、薄膜、单晶和陶瓷;压电器件以及应用扫描探针显微镜技术进行的纳米级表征。

Email: kholkin@ua.pt

撰稿:《纳微快报》编辑部

编辑:《纳微快报》编辑部

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Nano-Micro Letters 是上海交通大学主办的英文学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的最新高水平科研成果与评论文章及快讯,在 Springer 开放获取(open-access)出版。可免费获取全文,欢迎关注和投稿。

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