华科大杨光教授团队 AFM: 基于生物制造的超疏水织物型TENG用于能量收集和运动监测

2023-07-30 来源：高分子科技

近日，华中科技大学生命科学与技术学院杨光教授团队以细菌纤维素（BC）为基材，结合湿拧、生物制造以及纳米掺杂等工艺方法，设计了一种具有新型超疏水导电纤维(SEBC fiber)，并以此构建具有自清洁和抗污性能的可降解超疏水织物型纳米摩擦发电机(SF-TENG)。相关研究内容以“Fabric-Based TENG Woven with Bio-fabricated Superhydrophobic Bacterial Cellulose Fiber for Energy Harvesting and Motion Detection”为题发表于国际权威期刊《Advanced Functional Materials》上，华中科技大学在读博士生陈坤为第一作者。

图1.（a）运动健康监测系统示意图；（b）SF-TENG示意图；（c）SF-TENG的织物结构示意图；（d）SEBC纤维的制备过程；（e）生物制造过程；（f）壳核结构示意图。

织物型纳米摩擦发电机（Fabric-based TENGs）具有开发为织物型可穿戴器件的前景，其出色的输出性能、柔性和可穿戴性受到了科研人员的广泛关注。然而，织物的缝隙结构往往会导致织物型摩擦发电机的表面积累污染物，进而影响到织物型摩擦发电机的使用性能和寿命。

研究人员将碳纳米管（CNTs）掺杂至细菌纤维素表面，通过湿拧工艺得到导电的BC基纤维线，一次超疏水改性使其具备初级的超疏水性能，而后将其置于木醋杆菌培养基中实施生物制造过程以形成壳核结构，最后对具有壳核结构的导电纤维线进行二次超疏水改性得到超疏水导电纤维线。在设计过程中，研究人员创新性地使用了生物制造的工艺方法，原位构建了高性能的壳核纤维结构，壳层具有坚固的超疏水性能和介电性能，支撑自清洁特性及摩擦电性能，核层细菌纤维素具有优异的机械性能，支撑其纤维特性和可编织的特性。表征结果显示，所构建的SEBC纤维线具有优异的导电性能、机械性能、可生物降解性和坚固的超疏水性能。进一步，研究人员以SEBC纤维线构建了超疏水织物型纳米摩擦发电机（SF-TENG），并测得其最大开路电压（V_OC）为266.0 V、最大短路电流（I_SC）为5.9μA、最大输出功率为489.7μW，此外，SF-TENG继承了SEBC纤维优异的超疏水性能，能够在各种液体污染的情况下稳定输出。最后，为了测试实际使用性能，研究人员将SF-TENG与衣物结合，构建了能够检测运动信号的智能衣物和一套运动健康监测系统并用于各种运动场景下的运动行为监测，结果表明SF-TENG能够在各种污染以及复杂环境条件下进行运动监测，证明了所构建的SF-TENG在可穿戴设备领域的应用前景。

图2.（a，b，c）BC纤维、EBC纤维和SEBC纤维；（d）SEBC纤维表面的微纳结构表征；（e）壳核结构交界处的微纳结构表征；（f，g，h）SF-TENG织物。

图3.（a）EBC纤维和SEBC纤维的导电性；（b，c）纤维的应力-应变曲线、拉伸强度、杨氏模量；（d，e）SEBC纤维与水及HCl，NaOH，NaCl，PBS溶液的接触角；（f）对应的接触角数值；（g）SEBC纤维和SEBC_ⅰ纤维线的超疏水耐久性实验；h）生活常见液体滴在SF-TENG的表面状态；（i）SF-TENG的自洁性能；（j，k）BC纤维和SEBC纤维的生物可降解性能表征。

图4.（a）双电极模式下的SF-TENG的示意图；（b）SF-TENG与PTFE、PVC、PDMS、Dacron、Nylon以及cotton组合时的输出电压；（c，d，e）SF-TENG在不同频率下的V_OC，I_SC及Q_SC；f，g）SF-TENG在不同湿度下及不同压力下的输出电压；（h）SF-TENG在不同负载电阻下的瞬时功率；（i）SF-TENG稳定性测试；（j）对不同电容器的充电测试。

图5.（a）智能衣物和运动与健康监测系统构建示意图；（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、不同运动状态、不同液体污染条件下检测到的运动信号；（h）运动与健康监测系统在户外的场景下进行测试；（i，j）电路系统；（k）监测软件的屏幕截图。该工作由华中科技大学生命科学与技术学院杨光教授团队完成。论文第一作者为华中科技大学博士生陈坤。华中科技大学杨光教授、华中科技大学石志军博士、湖北科技学院胡三明博士为该文章的共同通讯作者。

该工作得到了金砖国家科技创新框架计划（3rd call 2019）、国家重点研发计划（批准号 2018YFE0123700）、国家自然科学基金（批准号 51973076）、中央高校基本科研业务费专项资金（批准号：2020kfyXJJS035）等的支持。该工作同时感谢华中科技大学机械学院吴豪老师团队的协助。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202304809

论文引用：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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（责任编辑：xu）

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