ACS Nano 打字也能发电？！ 王中林教授研发可发电的柔性键盘套

材料牛注：在现代社会，每天坐在电脑前“码字”已成为广大“科研狗”、“程序猿”的日常。而你可曾设想过一边打字，一边发电？没错，使用一种基于摩擦纳米发电机的柔性键盘套，有望将我们敲击键盘的机械能转换成电能！

【成果简介】

关于摩擦纳米发电机（TENG），相信大家已经有所了解，小编在前几天的一篇综述导读（Adv. Energy Mater. 王中林教授关于摩擦纳米发电机的最新综述）中已较为详细地介绍了TENG的多种应用。近日，美国佐治亚理工学院和中国科学院北京纳米能源与系统研究所的王中林教授带领的纳米研究团队在TENGs的应用上又出新成果！他们使用弹性体材料制备出基于TENG的柔性键盘套，可实现从键盘和按钮中收集生物机械能。该成果以“All-Elastomer-Based Triboelectric Nanogenerator as a Keyboard Cover To Harvest Typing Energy”为题于8月4日在线发表于ACS Nano期刊上。来自清华大学、佐治亚理工学院的Shengming Li和来自佐治亚理工学院的Wenbo Peng和Jie Wang为文章的共同第一作者。下面我们来一睹为快！

王中林教授研究团队完全使用弹性体材料制备出一个高度柔性的TENG，将其作为传统键盘的防尘套，可用来收集打字产生的生物机械能。由于结构和材料上的创新，该弹性体TENG具有一种双模式工作机制，其转移电荷密度高达～140μC/m2。研究人员还研究了不同结构参数对其性能的影响，以便优化它在使用时的输出特性。完全封装的键盘形TENG被进一步与角状聚吡咯基超级电容器集成为一个自供电系统。以正常速度打字1小时，可以储存～8×10−4 J的电能，这足以驱动电子温度计或比重计。该键盘套还表现出优异的长期稳定性和防水性。此外，由于创新的结构设计，该TENG基键盘套的电输出对环境和表面条件不敏感，这使其有助于研究不同操作者的打字习惯。

【图文导读】

图1：可从键盘和按钮收集能量的双模式弹性体TENG的基本结构、工作原理和输出特性

（a）弹性体TENG的结构设计示意图。左边的插图是介质膜的SEM俯视图，右边的插图是CB/CNT混合物（弹性体电极的导电成分）的SEM照片；
（b）弹性体TENG的工作原理示意图，五种连续状态的电子流示意图，其中，后四个状态形成一个循环；
（c）带上丁腈手套敲击TENG至最大形变所得的ΔQSC−t曲线；
（d）带上丁腈手套敲击TENG至最大形变所得的VOC−t曲线。

图2：具有不同结构参数的弹性体TENG的电输出（短路转移电荷量ΔQSC和短路转移电荷密度ΔσSC）

（a）单个TENG键的结构和尺寸示意图；
（b，c）不同间隙距离的TENGs的对比图及其ΔQSC和ΔσSC随间隙距离的变化；
（d，e）不同结构材料（具有不同交联密度的硅酮，导致不同的A型邵氏硬度和粘度）制备的TENGs的对比图及其ΔQSC和ΔσSC随A型邵氏硬度的变化；
（f，g）不同顶层结构厚度的TENGs的对比图及其ΔQSC和ΔσSC随厚度的变化。

图3：具有不同结构参数的弹性体TENG在不同敲击力（F）和敲击频率（f）下的电输出（短路转移电荷量ΔQSC）

（a-c）具有不同的间隙距离（a）、结构材料硬度（b）和顶层结构厚度（c）的TENGs的归一化ΔQSC-F关系曲线；
（d-f）具有不同的间隙距离（d）、结构材料硬度（e）和顶层结构厚度（f）的TENGs的归一化ΔQSC-f关系曲线。

图4：不同敲击频率下介电材料对电输出（ΔQSC和归一化的ΔQSC）的影响

（a）采用氧等离子体处理的Ecoflex 0010、Ecoflex 0050和Ecoflex 0050作为介电层的TENGs的ΔQSC对比图；
（b）采用氧等离子体处理的Ecoflex 0010、Ecoflex 0050和Ecoflex 0050作为介电层的TENGs在不同敲击频率（f）下的归一化ΔQSC对比图；
（c）采用氧等离子体处理的Ecoflex 0010、Ecoflex 0050和Ecoflex 0050作为介电层的TENGs的标准化ΔQSC-t输出曲线；
（d）采用氧等离子体处理对硅酮（Ecoflex 0050）进行改性的示意图。

图5：基于弹性体TENG与相应的自充电电力系统的键盘套的输出性能、应用和特性

（a）TENG基键盘套的照片；
（b）不同敲击频率下自充电电力系统（敲击TENG实现充电）中的储能元件（角状聚吡咯（h-PPy）基超级电容器）的电压；
（c）照片显示，电子温度计/湿度计已经由从打字（以6Hz的频率在TENG基键盘套上打字1小时）所收集的能量实现充电；
（d）TENG的长期稳定性试验结果；
（e）TENG基键盘套在清洗前后的电输出（ΔQSC）。插图证明它可以点亮LEDs；
（f）两个不同的操作者，一个带上丁腈手套，一个不带手套，在TENG基键盘套上连续五遍打出同一个词“TYPING”所得到的电输出。

文献链接：All-Elastomer-Based Triboelectric Nanogenerator as a Keyboard Cover To Harvest Typing Energy (ACS Nano, 2016, DOI: 10.1021/acsnano.6b03926）

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