纳米能源所王中林、孙其君团队与华中大杨光团队合作《Nano Energy》：电子皮肤-全纤维素基的摩擦纳米发电机和自供电交互界面

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传统的电子器件设计材料主要是金属和塑料，存在回收困难和不可再生的问题，而电子垃圾也对环境造成了严重的污染和资源的浪费。随着人类对健康生活的追求和环境保护的重视，利用可再生且环境友好的的天然材料来设计制造特定功能的电子器件成为了研究者们关注的热点。由麦克斯韦位移电流驱动的摩擦纳米发电机 (TENG) 提供了一种从周围环境中收集低频和高熵机械能的有效方式，在大规模能量收集、可穿戴供能和运动传感、可植入医学传感器及人机交互界面等领域得到广泛的研究。尽管已有研究者利用天然的高分子材料来设计TENG，但都只是部分的取代金属或者塑料摩擦层，没有实现整体器件的可再生和环境友好性。

北京纳米能源与系统研究所王中林院士教授、孙其君研究员和华中科技大学杨光教授联合上海电力大学郑莉教授共同报道了一种环境友好的可回收的全细菌纤维素基的摩擦纳米发电机（BC-TENG)。此BC-TENG由纯BC膜和掺杂碳纳米管（CNT）及原位聚合聚吡咯(PPy)的导电BC组成，在降解酶的作用下，8小时内可以完全降解。此全纤维素TENG 最大开路电压可以达到29 V，短路电流0.6 μA，输出功率3 μW，可以很容易实现为商业电子设备供电，并可用作可穿戴缝纫界面来控制电子钢琴的演奏及指间控制贪吃蛇网络游戏。提供了一种制备具有良好生物降解性的全纤维素能量收集和交互装置的有效途径，在设计生态友好型电子产品、生物适应性人类机器接口和智能仿生功能设备具有潜在的应用价值。

图1：全细菌纤维素TENG结构图

由掺杂CNT和PPy的导电BC膜、纯BC膜和导电BC膜组成具有三明治结构的全纤维素TENG,其中纯BC膜作为摩擦层，导电BC膜即做摩擦层，也作为电极层。

图2：纯BC膜和导电BC膜的生物降解

在纤维素酶的作用下，可以实现纯BC膜和导电BC膜的快速降解

图3：(a) TENG工作时静电场模拟演化示意图。 (b) 具有不同 BC-CNT-PPy 膜电阻的 TENG 的电压和 (c) 电流输出。 (d) 具有不同摩擦层之间接触距离的 TENG 的电压和 (e) 电流输出。 （f）不同接触频率下TENG的电压和（g）电流输出。 (h) 作为负载电阻函数的电压和电流输出。 (i) 作为负载电阻函数的计算输出功率。 (j) 在 3 Hz 下进行 10000 次循环测试的 TENG 输出。

图4：设计的全纤维素 TENG 的开发应用。 (a) 全纤维素 TENG 成功用作直流电源，点亮 7 个串联的 LED。 全纤维素 TENG 为（b）电容器、（c）手表、（d）秒表供电。 (e)基于全纤维素 TENG 的可穿戴电子钢琴。

图5：基于全纤维素 TENG 的指尖控制“贪吃蛇”。(a) 食指、中指、无名指和小指分别控制“贪蛇”向右、向上、向下和向左运动。(b) TENG控制“贪吃蛇”的基本工作过程。(c) 由手指通过全纤维素 TENG 触发的“贪吃蛇”网络游戏。

细菌纤维素(BC)是自然界仅次于植物纤维素的第二丰富的纤维素，具有可再生、生物可降解和优异的机械性能等特定。作者利用BC丰富的三维网络结构掺杂碳纳米管和聚吡咯制备了导电复合膜，并通过与纯BC膜的组装来设计具有能量捕获和界面交互功能的摩擦纳米发电机，在保障基本的功能外使该TENG具有生物可降解和可回收等特性，为设计环境友好型的电子器件提供了解决方式。本研究中，考虑到复合导电BC膜中碳纳米管和聚吡咯颗粒不具备可降解特性，降解后只能做回收利用，可能会增加电子器件处理的成本，接下来的工作将设计具有完全降解的导电功能复合材料或涂层用于设计TENG去执行特定的功能。另外，细菌纤维素的分子链呈刚性使得BC膜不具备十分优异的柔性，未来将通过可控生物增塑等方法来设计更具柔韧性的BC实现在界面交互更精准、更精细的运用。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285521006091#!

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