IAM黄维院士、于海东教授团队：不遗“鱼”力，“鳞”漓尽致 — 用废弃鱼鳞制作柔性摩擦纳米发电机
随着电子科技产业的迅速发展，可穿戴的智能电子设备越来越小型化、便携化和智能化，进而要求供电系统等相应的配套设施必须满足这类新型设备的需求。但是，目前使用的传统固态大容量电池既大又沉重、小容量电池虽小但供电时间又太短，都无法满足需要。
摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator, TENG）是一种利用摩擦起电效应和静电感应效应发电的新型能量转换装置，可以收集周围环境中的多种形式的机械能，并将其转换为电能。其器件结构简单、输出性能较高、稳定性出色，为解决智能可穿戴电子设备的供能问题提供了新的令人满意的解决方案。
已有的摩擦纳米发电机的摩擦层通常选用两种不同得失电子能力的材料，这些材料多为昂贵的金属或不可降解的聚合物材料。极有必要寻找一种经济、轻质、生物相容性好、可降解的材料来替代这些材料。近期，南京工业大学先进材料研究院黄维院士和于海东教授团队在前期研究工作的基础上（ACS Nano, 2020, DOI: 10.1021/acsnano.9b09880），从废弃的鱼鳞中提取出鱼明胶并制备成鱼明胶薄膜，再以鱼明胶薄膜为正极摩擦材料制备出成本低、性能高、环境友好、功能多的摩擦纳米发电机，如图1所示，为智能可穿戴电子设备的供能装置以及人体自供电传感器的材料选择提供了新思路、开辟出了新途径。
图1：鱼明胶溶液的制取以及使用鱼明胶薄膜制备摩擦纳米发电机的示意图。
近些年来，由于不断爆发的疯牛病、口蹄疫以及宗教信仰的限制，牛明胶和猪明胶逐渐被使用鱼鳞废弃物制备的鱼明胶代替，鱼明胶因其具有优良的物理性质，被广泛应用于食品、医药、照相、化妆品等方面。研究表明，鱼明胶中含有近20种氨基酸，其中的丙氨酸、脯氨酸、谷氨酸等具有很强给电子能力的氨基酸残基的数量约为40%，而其中的赖氨酸、精氨酸、络氨酸等具有得电子能力的氨基酸残基则仅占19%。因此，给电子效应占据主导地位的鱼明胶薄膜可以作为极好的正极摩擦材料制备新型摩擦纳米发电机，如图2所示。红外静电测试仪的测量结果也表明，鱼明胶薄膜作为强给电子效应的材料，其表面电势明显高于铝箔、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和薄纸等材料，而且电势维持的时间更长。与铝箔、PET、薄纸等其他常用的正极摩擦材料相比发现，将鱼明胶薄膜用作摩擦纳米发电机正极材料时，其输出性能明显高于以上述三种材料作为摩擦层制作的摩擦纳米发电机的性能。
图2：鱼明胶薄膜与其他常用材料制备的摩擦纳米发电机性能的比较
使用鱼明胶薄膜制备的摩擦纳米发电机产生的开路电压（Voc）、短路电流（Isc）和输出功率密度分别达到了130 V、0.35 μA、45.8 μW cm−2。通过手指对鱼明胶发电机进行周期性按压，可直接点亮50盏串联的LED灯珠。在这种发电机的电路中接入桥式整流器对交流电信号整流后给商用电容器充电，一分钟便可以将10 μF的电容器充电至约2 V，足以满足电子表、计算器等小型电子设备的供电需要，如图3所示。上述事实足以证明，使用鱼明胶薄膜制备摩擦纳米发电机是一种更可靠、更廉价、更绿色环保的全新的能量供给装置。
图3：鱼明胶薄膜制备的摩擦纳米发电机性能的图示。
还要特别指出的是，传统的基于压电和压阻原理制备的压力传感器通常必须依赖外接电源才能监测人体的生理信号。但是，鱼明胶薄膜制备的摩擦纳米发电机对施加在机体上的外力特别敏感，可以作为自供电的压力传感器用来监测手指个数、用力大小、关节活动、呼吸情况、运动状态等生理信号，如图4所示，显示出鱼明胶薄膜制备的摩擦纳米发电机在医疗保健、运动健康等方面具有重要的研究意义和极好的应用价值。
图4：鱼明胶摩擦纳米发电机作为自供电传感器监测人体生理信号的图示。
总而言之，废弃鱼鳞制备的摩擦纳米发电机具有成本低、性能高、环境友好、功能多等优势，在电子设备的供能和自供电传感等方面具有巨大的发展潜力和极好的应用前景。
该研究以Fish gelatin-based triboelectric nanogenerator for harvesting biomechanical energy and self-powered sensing of human physiological signals 为题近日发表在ACS Applied Materials & Interfaces 2020, DOI: 10.1021/acsami.0c01061。
文章作者：Yaojie Han（韩尧杰）, Yufeng Han（韩雨锋）, Xiaopan Zhang（张晓盼）, Gang Lu（吕刚）,通讯作者：Hai-Dong Yu（于海东）*，Wei Huang（黄维）*。
论文链接：
https://doi.org/10.1021/acsami.0c01061
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