电子科大&中国地大（北京）Nano Energy：由抗菌溴丁基橡胶组装的摩擦电纳米发电机制成的耐磨自供电传感器

【背景介绍】

随着纳米技术的发展，出现了纳米发电机。其中，摩擦电纳米发电机（TENGs）具有可广泛应用且易于制造的优点。根据TENGs的不同结构，可分为四种基本模式：垂直接触分离（CS）模式、面内接触滑动（LS）模式、单电极（SE）模式和独立式摩擦电层（FT）模式。由于TENGs具有设计灵活、价格低廉、输出性能稳定等优点，适用于体内和体外医学监测。TENGs由柔性材料组成时，可以用作自供电的人体步态分析传感器，可灵活地适应人体的各种运动，具有良好的应用前景。然而，由于可穿戴式传感器与人类皮肤长时间接触并暴露于空气环境中，而很容易成为细菌生长的温床，因此抗菌性能已成为将TENGs用作可穿戴式传感器的重要前提。目前，常见的柔性抗菌材料主要是通过抗生素等制成的复合抗菌填料，但抗菌填料易于从复合材料中逐渐释放出来，与人体接触时可能会产生毒性，并且其抗菌性能也将逐渐下降，从而难以实现长期抗菌性能。

【成果简介】

近日，电子科技大学张岩教授和中国地质大学（北京）郝向阳副教授（共同通讯作者）等人报道了一种柔性溴化丁基橡胶（BIIR）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）用作摩擦材料，并且在进行各种成膜和表面粗糙化处理后，组装成拱形垂直接触分离式摩擦电纳米发电机（CS-TENGs）。为了获得最佳的发电效果，作者研究了摩擦材料的处理和组装方法。此外，由于BIIR薄膜的生物相容性和固有的抗菌性能，制造出来的摩擦电纳米发电机也被应用于可穿戴式自供电传感器设备，证明了其在识别和步态分析领域的潜力。研究成果以题为“Wearable and self-powered sensors made by triboelectric nanogenerators assembled from antibacterial bromobutyl rubber”发布在国际著名期刊Nano Energy上。

【图文解读】

图一、TENG的组装
A）由不同处理方法制备的BIIR和PET薄膜组装而成的拱形接触式TENG的示意图；

B）由BIIR和PET膜组装的接触分离式TENG的工作模式示意图；

C）用BIIR和PET胶片组装的TENG的实际设备照片。

图二、不同方法制备的BIIR膜的SEM图像
A）静电纺丝；

B）涂膜；

C）具有线形结构的压缩成型；

D）具有点状结构的压缩成型；

E）线形模具的光学显微镜图像；

F）点状模具。

图三、不同方法制备的PET膜的SEM图像
A）砂纸打磨；

B）100目不锈钢丝网筛压制；

C）200目不锈钢丝网筛压制；

D）300目不锈钢丝网筛压。

图四、在无抗菌填料的情况下，静电纺丝制备的BIIR膜在不同细菌培养物中的抗菌性能
A）金黄色葡萄球菌；

B）大肠杆菌。

图五、在40 N的力下，由不同处理的BIIR膜和未经表面处理的PET膜组装的TENG的开路电压
A）静电纺丝制备的BIIR膜；

B）涂膜制备的BIIR膜；

C）具有线形结构的压缩成型的BIIR膜；

D）具有点状结构的压缩成型的BIIR膜。

图六、在40 N的力下，不同方法处理的PET膜与静电纺丝法制备的BIIR膜组装成TENG的开路电压
A）通过砂纸打磨制备PET薄膜；

B）通过压制100目不锈钢丝网来进行丝网压制PET薄膜；

C）通过压制200目不锈钢丝网来进行丝网压制PET薄膜；

D）通过压制300目不锈钢丝网来进行丝网压制PET薄膜；

E）由静电纺方法制备的BIIR薄膜和300目不锈钢丝网压制的PET组装成TENG的开路电压；

F）不同施加力下，由静电纺方法制备的BIIR薄膜和300目不锈钢丝网压制的PET组装成TENG的短路电流；

G）在800次连续工作循环中，由静电纺方法制备的BIIR薄膜和300目不锈钢丝网压制的PET组装成TENG的机械耐久性。

图七、制备好的TENG鞋垫用于身份识别和步态分析
A-B）TENG鞋垫被不同的人用于身份识别：男测试员、女测试员；

C-F）TENG鞋垫用于步态分析：轻快行走、慢走、奔跑和跳跃；

G-H）当脚步缓慢或快速时，放大检测到的信号。

【小结】

综上所述，作者开发了由BIIR和PET组装而成的拱形接触式分离膜，其具有安全、无毒、与人体生物相容的特点。作者采用不同的方法制备了BIIR薄膜，并且在两种摩擦材料表面形成粗糙表面，以提高其电输出性能。在制备的TENG中，利用静电纺丝法制备的BIIR膜与300目304不锈钢丝网复合PET膜组装成的TENG在40 N的力作用下，最大输出电压可达40 V，而静电纺丝法制备的BIIR薄膜具有良好的固有抗菌性能，对其在人体自供电传感器中的应用具有重要意义。TENG被用作自供电传感器，用于检测人体运动状态，特别是步态分析。TENG可用于步态识别，不同人群的步态曲线有明显差异。同时，TENG能检测出行走、跑步和跳跃等不同的运动状态，每种活动的步态曲线都有显著差异。总之，该研究为TENGs的材料和设计提供了深入的见解，并且将促进自供电可穿戴设备的发展，以供实际应用。

文献链接：Wearable and self-powered sensors made by triboelectric nanogenerators assembled from antibacterial bromobutyl rubber. Nano Energy, 2021, DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.105769.

通讯作者简介

张岩，电子科技大学物理学院教授，应用物理系主任。四川省学术与技术带头人，IEEE高级会员。Science Bulletin编委，英国物理学会中国编辑咨询委员会委员（ IOP China Editorial Advisory Board）。
在量子压电电子学、压电电子学与压电光电子学理论、纳米发电机自驱动理论与实验领域相关成果发表在Nano Energy、 Advanced Materials、Energy Environ. Sci.、 Nano Lett、ACS Nano、Phys. Rev. Appl.、Appl. Phys. Lett.、Phys. Rev. E、等期刊。主持国家火炬计划项目（2004EB011391），甘肃省科技厅科技成果鉴定两项（甘科鉴字（2003）第107号、第109号），甘肃省新产品鉴定（甘经贸（2003）产鉴字2-15号）。申请美国发明专利15项，授权4项，申请中国发明专利18项，授权6项。项目多次获得兰州军区与物资油料部嘉奖，荣获兰州军区科技油料双星奖。

郝向阳，中国地质大学（北京）材料科学与工程学院副教授，硕士导师，中国建筑材料联合会粉体技术分会理事，北京生物材料与人工器官专委会委员。北京理工大学博士，清华大学材料学院博士后，教育部公派美国佐治亚理工材料学院访问学者。

（1）团队研究方向：纳米复合材料(纤维、塑料、橡胶及器件)，固废复合材料（木塑复合材料、石塑复合材料等）。

（2）相关优质文献推荐：

1）《纳米科学与技术》(32万字) 北京:科学出版社.2002,8，并在台湾出版发行(世茂出版社，2003,12)。该书被台湾國立臺中圖書館, 陸軍官校資訊圖書中心等图书馆收藏, 并且被台湾多所大学和研究院的博士硕士答辩论文引用。本书是四川大学, 北京理工大学的正式教材，暨南大学博士研究生入学考试参考书，是以下大学的教学参考书：台湾國立中山大學奈米科技研發中心，中南大学，武汉大学，西安交通大学。师昌绪院士为本书作序,并在中国科技成果2005(6):55书评给予较高评价。

2）Mingchao Zhang, Chunya Wang, Huimin Wang, Muqiang Jian, Xiangyang Hao and Yingying Zhang，Carbonized Cotton Fabric for High-Performance Wearable Strain Sensors, Advanced Functional Materials,  2017, 27(2):1604795.（进入TOP10, 热点文章排行榜第6位）

本文由CQR编译。

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