东华大学俞昊教授Nano Energy：基于组织形貌设计增强的可水洗摩擦纳米发电织物作为可穿戴能源
本文亮点：
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通过工业化的针织设备制备了具有水洗、柔性，透气性的摩擦纳米发电织物。
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研究了织物组织结构对摩擦纳米发电织物输出性能的影响。
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摩擦纳米发电织物作为可穿戴能源可以用于收集人体运动的能量，也可作为人体运动传感器。
【前沿部分】
随着人工智能时代的到来，柔性可穿戴电子产品正成为当前研究的焦点，因为它们有望在生物医学/健康监测器和可穿戴人机交互系统等众多领域得到应用。而维持这类设备工作的能源系统，并将其柔性化则显得格外重要。智能服装被认为是可穿戴电子产品的终极形态，因此，将能源系统与服装相结合，构建可“穿”的能源越来越受到研究者们的关注。摩擦纳米发电机（TENG）能够将无处不在的机械能转化为电能，若将其与人们日常所穿的服装相结合，不仅可以满足可穿戴舒适性，还可以构建一系列以人体运动为能量来源的自驱动传感器件和能量收集系统。
【成果简介】
近日，东华大学蒙泰课题组俞昊教授（通讯作者）等人在Nano Energy上发表了题为“Fabric texture design for boosting the performance of a knitted washable textile tribo electric nanogenerator as wearable power”的文章，文章第一作者为青年教师黄涛。研究者们采用导电纤维为电极，同时充当电正性摩擦材料，通过工业化的针织设备，设计了多种组织结构的摩擦纳米发电织物，同时以膨体聚四氟乙烯（e-PTFE）为电负性摩擦材料，通过层压法制备了e-PTFE织物，最终构建了可以大规模连续化制备，且具有很好的柔性，透气性，可水洗的独立层工作模式的摩擦纳米发电织物。
【图文导读】
图1 (a) 摩擦纳米发电织物的结构示意图; (b) 摩擦纳米发电针织物的数码照片；（c）摩擦纳米发电针织物的数码照片；（d）e-PTFE层压织物的数码照片；（e）e-PTFE层压织物的截面图；（f）e-PTFE层压织物的表面电镜图。
图2（a）摩擦纳米发电织物的工作机理；（b）层压织物的表面电势图；（c）摩擦纳米发电织物与服装相结合，收集人体运动的能量。
图3 （a~f）不同压力下制备的层压织物的电镜图；（g~h）不同压力下制备的摩擦纳米发电织物的输出电压和输出电流；（i~j）层压织物在5 MPa压力的处理下，形成部分的闭孔结构，有利于提高摩擦纳米发电织物的输出。
图4 具有不同组织形貌的摩擦纳米发电织物的（a~e）光学照片、（f~j）仿真图及（k）输出电压和（l）电流。
研究表明，对于同一组织形貌而言，正面线圈产生的输出电压和电流明显高于反面线圈，这是由于正面线圈的有效接触面积大于反面线圈。对于具有不同组织形貌的摩擦纳米发电织物，线圈密度越高，其输出越大。
图5 具有不同栅格电极个数的摩擦纳米发电织物的输出电压和电流情况。
摩擦纳米发电织物可以很方便的通过电脑编程，设计出具有不同栅格电极个数N的摩擦纳米发电织物，研究发现，随着栅格个数N的增加，其输出电压略有降低，但是输出电流有所提高。对电容充电曲线可以看出，随着栅格个数N增加，其对电容充电的效率提高。这是由于电荷转移次数与栅格个数具有（2N-1）的关系。栅格个数N的增加，导致了电荷转移次数在一次循环过程中也同时增加。
图6（a）摩擦纳米发电织物在不同负载下的输出电压和电流；（b）摩擦纳米发电织物在不同负载下的输出功率；（c）摩擦纳米发电织物在人走路，跑步，轻拍模式下的输出电压；（d）摩擦纳米发电织物通过手臂的摆动，可记录摆臂的次数；（e）摩擦纳米发电织物用于点亮LED灯，作为警示作用；（f）摩擦纳米发电织物用于驱动电子手表。
【小结】
将银纳米纤维通过针织设备构建了摩擦纳米发电织物电极，并结合E-PTFE层压织物，构建了独立层模式的摩擦纳米发电织物。通过比较不同组织形貌和不同层压织物表面形貌的摩擦纳米发电织物的输出性能，证实具有高线圈密度和正面线圈的摩擦纳米发电织物具有高的输出性能。此外，可以通过简单的程序设计，构建多个栅格结构的摩擦纳米发电织物，这有利于提高摩擦纳米发电机的输出电荷，电流及能量。由于该摩擦纳米发电织物采用的是全服装材料，因此具有很好的透气性，柔性及水洗性能，在可穿戴智能纺织品方面具有很好的应用前景。
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