王中林院士团队AFM：基于MXene/PVA水凝胶的柔性多功能摩擦纳米发电机

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随着大数据、物联网和人工智能快速发展，迫切需要便携、灵活、可穿戴和自供电的电子设备。然而，传统的能源供应设备，如电池和电容器，由于其结构刚性强，几乎不能承受剧烈的变形。摩擦纳米发电机（TENG）是一种新兴的实现自供电传感和低频能量收集的技术，在柔性可穿戴电子器件中具有巨大的应用潜力。柔性 TENG 要求摩擦层和电极层都具有柔性和可拉伸性。柔性摩擦层的候选材料范围很广，但柔性电极材料的选择十分有限因为它要求其性能应良好且稳定，且不会受到拉伸、扭曲、弯曲等外力的破坏。传统的柔性导电材料，如导电银浆、银纳米线、碳纳米管和石墨烯等，由于成本超高或制备工艺复杂，难以实现量产。因此，迫切需要探索和开发TENG 的高性能柔性电极材料。

与传统的金属电极相比，水凝胶因其优异的可拉伸性、自愈性和导电性能而成为新兴的柔性电极材料。然而，其明显的缺点，如电导率较低、机械和生物相容性差、对外界刺激反应慢等，极大地限制了其实际应用。相比之下，二维过渡金属碳化物纳米材料MXene，具有独特的金属导电性、亲水性、易加工性、高比表面积和优异的机械强度性能。因此，将MXene 引入水凝胶中不仅可以提高水凝胶的导电性，增强整体机械和生物相容性，还可以赋予水凝胶新的性能，以实现多功能 MXene水凝胶材料。

最近，广西大学纳米能源研究中心、中国科学院北京纳米能源与系统研究所研究团队报道了一种基于MXene/聚乙烯醇（PVA）水凝胶制备的TENG（MH-TENG）。MXene 纳米片的掺杂不仅可以提高 TENG 的可拉伸性，增强水凝胶电极的导电性，还可以通过流动振动电位（SVP）机制产生额外的摩擦电输出。利用MH-TENG出色的可拉伸性和对机械刺激的超高灵敏度，展示了其在可穿戴运动监测、高精度笔画识别和低频机械能收集方面的应用。相关论文以题为 A Flexible Multifunctional Triboelectric Nanogenerator Based on MXene/PVA Hydrogel 发表在《 Advanced Functional Materials 》上。论文共同第一作者为广西大学联培生罗雄心和纳米能源所朱来攀副研究员，通讯作者为纳米能源所王中林院士。

图 1. MXene/PVA 水凝胶的微观结构和成分表征。(a) MXene 的晶体结构示意图。(b) MXene 纳米片的TEM低倍放大图像。(c) 来自 b) 的 MXene 纳米片的放大边缘区域。(d) MXene 纳米片的 SAED 图。(e) MXene 纳米片的 EDX 图。(f) MXene/PVA 水凝胶的自愈能力表征光学照片。(g) 合成的 MXene/PVA 水凝胶网络示意图，显示了一次交联和二次交联网络。(h-j) 分别为 MXene/PVA 水凝胶的 FTIR、拉曼光谱和 XRD 图。

图 2. MH-TENG 的工作原理和输出性能。(a) MH-TENG的结构示意图。(b) 用于能量收集的单电极模式 MH-TENG 的工作原理示意图。(c) 基于 MXene/PVA 水凝胶微通道的摩擦起电机制。(d-f) 不同掺杂浓度的 MXene 纳米片的 MH-TENGs 的开路电压 d) 短路电流 e) 和转移电荷量 f)。(g) 具有不同 MXene 掺杂浓度的 MXene/PVA 水凝胶的电阻。

图 3.不同拉伸状态和用于监测身体运动自供电传感器产生的输出电压。(a) MH-TENG拉伸长度与输出电压的线性关系，其中插图显示了 MH-TENG良好的可拉伸性。(b) MH-TENG 在手指弯曲 30°、45°、60° 和 90° 检测到的电压信号。(c-e) MH-TENG 检测手腕(c)、手肘(d) 和手指(e) 的连续弯曲的电压信号。(f) MH-TENG 检测不同实验者手指弯曲的电压信号。

图 4. MH-TENG 用于传感不同的手写细节。(a) 在MH-TENG表面手写示意图。(b-e) 用于传感不同手写内容的电压信号。

图 5. MH-TENG用于低频能量收集。（a）通过用其他材料替换 Kapton（参见图 S3 中的 MH-TENG 结构）的开路电压。(b) MH-TENG 在相同工作频率下使用 1 μF 和 3.3 μF 电容器的充电的电压曲线。(c) 短路电流和计算的电荷密度与外部负载电阻的关系。(d-f) MH-TENG 用手拍打时的开路电压 d) 短路电流 e) 和转移电荷量 f)。(g) MH-TENG 点亮 LED 的电路示意图。(h) 与 MH-TENG 连接的 40 个 LED 的原始照片。(i) 用手敲击 MH-TENG 点亮的 40 个 LED 的照片。

团队制备了以 MXene/PVA 水凝胶为电极的柔性和可拉伸摩擦纳米发电机。发现MXene纳米片不仅促进了PVA水凝胶的交联，而且在水凝胶内部形成了微通道，促进了复合水凝胶的拉伸性，增强了离子传输，并通过微通道摩擦电的SVP机制诱导了额外的输出。用于 MH-TENG 的 MXene 纳米片的最佳掺杂浓度被证明为 4%。MH-TENG具有出色的可伸缩性和对机械刺激的超高灵敏度，在可穿戴自供电人体运动监测和高精度笔画识别方面具有巨大的应用潜力。此外，用于 MH-TENG 的独立摩擦电材料可以与各种材料结合，在低频机械能收集方面显示出巨大的潜力。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202104928

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