MXene基摩擦纳米发电机实现高效机械能收集和自驱动传感

【研究背景】

近年来，随着物联网时代的发展，可穿戴电子设备逐渐进入人们的日常生活，如智能眼镜、智能手表等。这些电子设备需要依靠电池给其充电，然而传统电池一般是刚性的，并且其使用寿命有限，需要时常充电和更换，而且还会带来一定程度的环境污染。这些问题极大限制了可穿戴设备的应用和发展。因此，如何为电子设备提供长期稳定的能源供应，是柔性电子技术向智能化、功能化、集成化发展亟需解决的关键问题。摩擦电纳米发电机（TENGs）依靠接触起电与静电感应的耦合效应，可以将随机机械能转变成电信号。由于TENG体积小、柔性好、环保性好、重量轻，这项新技术引起了人们的广泛关注。然而，目前TENGs在输出性能和机械性能方面难以实现统一，限制了TENGs的进一步应用。

【成果简介】

基于团队前期MXene材料在柔性电子领域方面的系列工作基础（ACS Nano 2018, 12,4583-4593; Adv. Funct. Mater. 2019, 1905898; Mater. Horiz. 2019, 6, 1057-1065;Nano-Micro Lett. 2019, 11, 72; Chem. Eng. J. 2020, 403, 126438; Ind. Eng. Chem.Res. 2019, 58, 12018-12027）。近日，北京林业大学马明国教授团队与中科院北京纳米能源与系统所李舟研究员、同济大学附属第十人民医院陈峰研究员合作，基于MXene具有高导电性和高电负性的特性，以纳米纤维素/MXene分散液为液体电极，设计了一种具有高输出性能的可拉伸单电极摩擦纳米发电机（CM-TENG），并作为电子器件能源供给平台构建了柔性可穿戴自驱动传感系统。所制备的摩擦纳米发电机可以承受重复拉伸、卷曲、扭转等形变，并未见明显破坏。当相对湿度为20%，该CM-TENG的输出电压与输出电流分别为300 V和5.5 μA。具有优异的机械能收集性能，用手拍打硅胶收集能量，可以在60 s内将22 μF容量的电容器充电到3.0 V，采集的电量能够用于驱动电子手表正常运行~60 s。

除此之外，CM-TENG还可以作为自驱动传感器，结合无线模块和NFC天线，实现对人体各种运动（如手指弯曲、手腕弯曲、颈部运动、膝盖弯曲等）实现远程、无线、精准监控。该工作为构建可拉伸电源和自供电传感器提供了一种新的方法，在机器人技术、人体运动学和生物力学等不同领域具有潜在的应用前景。相关研究成果以“A Stretchable Highoutput Triboelectric Nanogenerator Improved by MXene Liquid Electrode with High Electronegativity”为题在线发表在国际权威期刊《Advanced Functional Materials》（IF = 16.836；DOI：10.1002/adfm.202004181）上。曹文涛博士与欧阳涵博士后为该论文共同第一作者。

【主要结果】

图1：a）CM-TENG的示意图；b）MXene纳米片的透射电镜图；c）MXene的XRD图；d）CM-TENG在卷曲、拉伸、扭转状态下照片；e）CM-TENG可同时点亮230盏LED灯。

图2：a) CM-TENG通过接触摩擦起电效应引起的电荷分布示意图；b) CM-TENG的工作原理示意图；c) CM-TENG中不同MXene含量的Voc；d) CM-TENG在0.5 ~3.0 Hz不同工作频率下的Voc；e) CM-TENG与其它基于液体电极的TENGs输出性能的比较。

图3：CM-TENG在各种拉伸应变下的a) Voc, b) Isc, c) Qsc；d) CM-TENG的稳定性测试；e) CM-TENG 50%拉伸应变1000个循环前后Voc的比较；f)拉伸和g)扭转状态下，CM-TENG驱动LED灯发光的照片；h) CM-TENG在与不同材料接触时产生的Voc和Isc。

图4：在各种外部载荷下CN-TENG的a)输出电压、电流，b) 功率密度；c) 基于CM-TENG的自充电电源系统工作电路；d)接触频率对充电性能的影响；e)在不同电容下CM-TENG的充电能力；f) 手拍打CM-TENG给电容器的充放电曲线；g) 给电子手表充电；h) 给温度传感器充电；i) 给发带充电。 

图5：a）CM-TENG在手指关节不同弯曲角度下的输出电压；b）CM-TENG在不同数量手指按压下的输出电压；c）CM-TENG在低头/抬头状态下的输出电压；d）CM-TENG在胳膊不同弯曲速率下的输出电压。

【结论与展望】

综上所述，本文提出了一种基于液体电极的可伸缩的、形状自适应的集机械能收集和自驱动力学传感于一体的摩擦纳米发电机。CM-TENG在单电极模式下工作，有效电极面积为6.0×2.5 cm2，产生的Voc、Isc和Qsc分别为300 V、5.5个μA和120 nC。硅橡胶和MXene基液体电极等软质材料的有效结合，保证了CM-TENG在拉伸、扭曲和折叠变形下具有优异的输出性能。在手掌轻敲装置上，串联的230个发光二极管可以很容易地点亮。此外，带自充电系统的CM-TENG可以通过从人体运动中获取能量，为电容器充电以驱动几个可穿戴电子设备。特别是通过附着在人体皮肤和衣服上，可作为生物力学传感器，实现对人体各种运动的实时监测。 

Wen-Tao Cao,^# Han Ouyang,^# Wei Xin, Shengyu Chao, Chang Ma, Zhou Li,* Feng Chen,* and Ming-Guo Ma* A Stretchable Highoutput Triboelectric Nanogenerator Improved by MXene Liquid Electrode with High Electronegativity, Adv. Funct. Mater. 2020, DOI：10.1002/adfm.202004181

Ti₃AlC₂ (400 mesh, purchased from Jilin11 Technology Co.,Ltd.)

【团队介绍】 

曹文涛（共同第一作者）

曹文涛：2016年6月毕业于齐鲁工业大学，获工学学士学位，同年考入北京林业大学材料学院攻读硕士研究生，现为北京林业大学材料科学与工程学院2018级博士研究生。主要研究领域为纳米纤维素基仿生复合功能材料研究，包括: 柔性纸基电磁屏蔽材料， 3D 打印可穿戴电子纤维/织物，超疏水光热涂层，纳米发电机等。先后以一作/共同一作身份在ACS Nano, Advanced Functional Materials, Materials Horizons, Nano-Micro Letter, Chemical Engineering Journals等期刊上发表多篇文章，其中文章影响因子大于10的有6篇。E-mail: [e-mail]

欧阳涵（共同第一作者）

欧阳涵：2019年6月毕业于中国科学院北京纳米能源与系统研究所，同年入选博士后创新人才计划，现为北京北京航空航天大学/北京市生物医学高精尖中心博士后。主要从事微纳能源器件与自驱动生物医疗电子器件研究。目前以一作及共同一作在Nature Communications, Advanced Materials，Advanced Functional Materials,  Nano Energy, Small等期刊发表多篇论文。E-mail:[e-mail]

马明国（通讯作者）

马明国：北京林业大学教授。主要从事纳米纤维素资源化、功能化、高值化以及循环利用的研究工作。已发表SCI收录论文130余篇，发表的论文在SCI中被他人引用3000余次，H-Index指数25；获授权国家发明专利10件，被邀请撰写综述论文14篇，参与编写英文专著12部。主持完成包括国家自然科学基金面上项目等课题18项，参与国家重点基础研究发展计划(973计划)、国家“十二五”科技支撑计划、十三五国家重点研发计划等项目11项。2016年度荣获教育部自然科学奖二等奖，2017年度荣获中国林业青年科技奖。E-mail:[e-mail]

李舟（通讯作者）

李舟：现任中国生物医学工程学会青委会副主任委员、中科院北京纳米能源与系统研究所课题组长。入选国家万人计划“青年拔尖”、教育部“新世纪优秀人才”、北京市“高创计划”青年拔尖人才和北京市“科技新星”。主要从事植入/穿戴电子医疗器件、自驱动医疗器件、生物传感器、可降解医疗器件、细胞生物力学的研究。已在Nature Communications、Science Advances, Advanced Materials 等期刊上已发表论文100余篇，被引用4000多次，H-index 31，包括9篇ESI高被引论文。本论文获国家自然科学基金、科技部重点研发计划、北京市自然科学基金、中组部万人计划和中国科学院大学优秀青年教师科研能力提升项目的支持。

陈峰（通讯作者）

陈峰：同济大学医学院上海第十人民医院骨科研究员。主要致力于仿生结构材料及其在生物医学领域应用的研究。至今发表和被接收SCI论文100余篇，包括Chem. Rev., Adv. Mater., ACS Nano, Mater. Horiz., Biomaterials, Small等权威或著名学术期刊，论文被引4100余次，H指数35；获中国发明专利授权18项，美国专利授权1项；研究成果曾得到了人民日报、中国科学报及英国皇家物理学会等几十家国内外学术机构或重要媒体的关注报道。Email: [e-mail]