纳米能源所潘曹峰课题组 Small：基于气纺技术的全纤维大面积可裁剪的自供能压力传感器阵列

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北京纳米能源与系统研究所潘曹峰研究员及鲍容容副研究员通过气纺丝技术设计制备了一种大面积且可直接裁剪的全纤维压力传感器阵列，该器件透气性高且能实现自供能，可用于提高可穿戴电子的长期穿着舒适性与安全性。

基于摩擦纳米发电机的柔性触觉传感器近年来广泛的应用于可穿戴电子器件领域。但是目前摩擦纳米发电机多以聚合物为载体，其透气性差，长期应用于人体皮肤容易引起炎症。为了实现可穿戴器件长期佩戴的舒适性，引入了溶液气纺丝工艺来制备纳米纤维。与静电纺丝相比，它能够实现卷对卷加工，不需要高压，安全性更高。因此，基于该工艺，北京纳米能源与系统研究所潘曹峰研究员与鲍容容副研究员设计并构筑了一种全纤维的单电极模式的摩擦纳米发电机，制备过程及器件结构如图a-b所示。其中，摩擦层为PVDF/MXene复合纳米纤维薄膜，具有较大的孔隙率；电极层为商用导电织物，具有导电性。该器件制备过程简单，受益于溶液气纺丝衬底选择的不受限性，导电织物作为衬底接收层，收集纳米纤维，一步法组装成摩擦纳米发电机。
如图c所示，使用溶液气纺丝制备得到的摩擦纳米发电机面积为20×50cm²，可以通过裁剪、缝合制作成手套。同时该器件有着优异的透气性能，从图d的透气性测试中可知，其透气性能远优于PDMS，几乎与空白对照组持平。该摩擦纳米发电机在可穿戴器件领域具有广泛的应用潜力。如图1e所示，将裁剪得到的手套敲击桌面，输出电压信号达到接近500 V。若将其与串联成字母“BINN”的LED相连，通过敲击桌面可以点亮LED。这表明该器件可以作为一个可靠的电源来驱动小型电子设备，用于能量收集。同时该器件还可以集成3×3的阵列，用于滑动轨迹与速度识别。以低速为例，使用手指划过阵列时，如图f i所示，其中通道 1、4、7、8、9、6 和 5 依次出现电压信号，这与图f ii所示的二维电压映射图相一致，结合两幅图可以得到手指的滑动轨迹为“6”。同时，还能根据电压映射图的颜色识别滑动速度。如图f ii和g ii，低速滑动的电压小于中速滑动，二维电压映射图中颜色有所区别。
该工作利用溶液气纺丝工艺制备纳米纤维具有面积大、可卷对卷加工、衬底的选择性广泛、不需要高压更加安全等特点，制备了一种全纤维单电极模式的摩擦纳米发电机。器件结构简单，具有可裁剪、透气性、柔性等优异特性。另外，器件既可应用于能量收集，还能用于滑动轨迹和速度识别以及压力映射。相关论文已在线发表在Small上。

论文信息：

Fully Fibrous Large-area Tailorable Triboelectric Nanogenerator Based on Solution Blow-Spinning Technology for Energy Harvesting and Self-Powered Sensing

Huayu Xu, Juan Tao, Yue Liu, Yepei Mo, Rongrong Bao*, and Caofeng Pan*

Small

DOI: 10.1002/smll.202202477

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202202477

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