西工大黄维院士、于海东教授团队和宁波大学石川千助理研究员《Nano Energy》：基于叶片表面微观结构的鱼明胶基摩擦纳米发电机

2023-01-31 来源：高分子科技

摩擦纳米发电机（TENGs）具有体积小、便携和可以将机械能转化为电能输出的特点，可以广泛应用到能量收集和自供能传感方面。摩擦表面的结构设计可以有效地提高TENG的输出性能。然而，目前表面结构的制备策略通常繁琐、昂贵且对生态环境不友好。因此迫切需要探索和开发一种低成本、高性能、工艺简便和环境友好的TENG。

近期，西北工业大学柔性电子研究院黄维院士和于海东教授的团队与宁波大学的石川千助理研究员合作开发了一种基于天然叶片表面微观结构的鱼明胶基的TENG（LMFG-TENG），这种器件具有低成本、高性能和可降解的优势。来源于鱼类废弃鳞片的鱼明胶（FG）含有丰富的供电子基团、是一种理想的摩擦材料、还具有完全的生物降解性能。受自然界中不同植物叶片结构的启发，在本项研究工作中选取了不同微观结构的几种常见植物的叶面，将一对摩擦表面的结构适当改性，提高了TENG的发电性能。利用LMFG-TENG出色的输出性能，实现了优良的能量收集和自供能传感的应用。这项工作以“Leaf Surface-Microstructure Inspired Fabrication of Fish Gelatin-Based Triboelectric Nanogenerator”为题发表在《Nano Energy》上。

图1 受叶片微结构启发的鱼明胶基摩擦电纳米发电机（LMFG-TENG）结构设计的图示。

在这项工作中选取了四种典型的叶面图案作为模型，制备了具有类金字塔状、槽状、波纹状以及块状的表面微结构的仿生LMFG-TENG，如图2所示。以鱼明胶薄膜作为正极摩擦材料具有优异的可降解性能和可重复利用的特性。其中，仿生荷叶表面类金字塔状表面微结构的LMFG-TENG与其他植物叶面的微结构相比具有最高的发电性能。通过对仿生荷叶材料的尺寸、厚度以及相关工作参数的优化，LMFG-TENG的最大开路电压和短路电流可达到~320 V和~0.8 μA，分别是无结构化FG-TENG的5.8倍和3.8倍。揭示了不同植物叶面的仿生微结构对TENG性能的巨大影响。

图2 鱼明胶（FG）薄膜结构表征的图示。

采用LMFG-TENG作为供能器件和自供电传感器，可以用于商用电子产品的供电和人体活动的监测，如图3所示。还可以应用于身体活动、姿态变化和声带振动的自供能感知方面。

图3 LMFG-TENG作为自供能传感和供能器件的应用图示。

这项工作可以在医疗保健和人机交互等许多方面得到广泛应用，有利于社会活动的绿色可持续发展。

文章作者：Xuewen Shi（石学文），Yuewen Wei（魏悦文），Ren Yan（颜稔），Lixuan Hu（胡黎璇），Jiacai Zhi（支嘉才），Biao Tang（唐彪），Yijia Li（李怡佳），Zhuoqi Yao（姚卓奇），通讯作者：Chuanqian Shi（石川千）*，Hai-Dong Yu（于海东）*，Wei Huang（黄维）*。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285523000678

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（责任编辑：xu）

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