胡陈果EcoMat综述：用于便携式自供电传感系统的纸基摩擦纳米发电机

成果简介

近年来，作为一种新型的机械能转换技术，基于摩擦起电和静电感应耦合效应的摩擦纳米发电机（TENG）在分布式微纳电源、高精度传感和便携式高压电源领域有着明显的优势。通常，TENG的主要功能组件包括摩擦层和导电层，两者都需要附着在用作支撑框架的基板材料上，从而形成可用的器件。根据不同基板材料的特性，TENG可以实现各种特性以满足不同的实际需求。在众多材料中，纸作为日常生活中常用的产品，具有成本低、柔韧性好、重量轻、可集成性和生物相容性等特点，被认为是一种很有前途的基材或框架材料，适合制备用于自供电电子设备的超便携TENG。然而，由于纸具有粗糙的多孔结构，在连续周期性变形过程中通过直接沉积金属薄膜制备得到的导电层破裂的风险较高。鉴于此，重庆大学胡陈果教授团队在EcoMat发表了题为“Recent progresses on paper-based triboelectric nanogenerator for portable self-powered sensing systems”的综述性文章。本文以纸基摩擦纳米发电机为研究对象，总结了纸基耐用导电层的制备方法。然后，从机械能收集、微纳能量器件、自供电传感器及系统等方面系统介绍了近年来纸基TENGs的研究进展。最后，对未来的机遇和挑战进行了预测和讨论。

内容详情

图1 本文结构

图2 用于提高纸张导电性的典型物理技术

图3 化学法制备得到的纸基电极

图4 用于能量收集的纸基TENGs

图5 纸基摩擦电压电混合纳米发电机

图6 纸基TENG的集成方式

图7 纸基TENG用作主动传感或自供电传感器

图8 用于便携式和可穿戴电子产品的纸基自充电装置

结论与展望

纸基TENG主要应用于两个领域，一个是微/纳米电源中的机械能量收集器，另一个是自供电传感器或自供电系统的一部分。本文回顾了纸基TENG的最新进展，包括制备方法、能量收集和自供电系统中的应用。由于纸是绝缘的，首先讨论了在纸表面制备电极的常用方法。然后，依次介绍了具有不同工作模式的人体运动、风能和水能的纸基TENG。同时，纤维素纸的粗糙表面和孔隙率有利于压电材料的沉积，因此也提出了关于摩擦电和压电混合纳米发电机的类似工作。此外，作者总结了涉及折纸技术的工作，结果证明通过折叠或切割可以有效提高 TENG的输出性能、有效减小器件体积。随后展示了自供电传感器的应用，纸基 TENGs也可用作便携式设备或可穿戴设备的电源。尽管如此，要实现进一步的开发和应用，目前还存在一些问题和挑战。

• 纸基TENG的耐用性。问题涉及两个方面，一是表面结构的耐久性，另一个是纸基材的机械耐久性，尤其是可折叠TENG。首先，表面结构的磨损仍然是滑动模式和独立模式TENG面临的一个问题，但可以通过设计接触/非接触自动机械开关来缓解。其次，耐折纸性决定了TENG的寿命，因此有必要提高耐折性。纸张中的长纤维影响纸张的强度，短纤维具有增强和改变阻尼的作用。因此，可以通过调整长、短纤维的比例来改变纸张的耐久性。

• 湿度对纸基TENG的影响。湿度对纸基TENG有双重影响。一方面，空气中的水分子在摩擦电层表面聚合，导致输出降低。另一方面，纸具有吸湿性，因此电极的电阻不稳定，影响了纸基TENG的性能。此外，耐折性会随着相对湿度的增加而先增后减。因此，可以对器件进行包装或避免在过度干燥/潮湿的环境中工作。

• 纸基TENG的小型化集成。小型化和可集成性对于便携式或可穿戴设备很重要，得益于折纸技术，纸基TENGs取得了多项成果。然而，目前大多数纸基TENG无法单独替换某些组件，导致工作寿命较短。此外，与压电纳米发电机不同，TENG需要一个气隙来改变静电场。如何在有限的空间内集成更多的器件仍有待讨论。

• 纸基TENG的生物降解性和可回收性。电子垃圾是技术进步的暗影，严重危害环境。纸是一种可生物降解和可回收的材料，但纸基TENGs中的大部分电极材料和绝缘材料都不能降解。因此，探索适用于纸基发电机的可降解电极和绝缘材料具有重要意义。

以上这些问题也是研究人员的机遇。随着对自供电传感器、便携式设备和可穿戴设备的需求不断增加，纸基电子设备变得越来越重要。预计在不久的将来，纸基TENG将对公共生活产生重大影响。

文献信息

Qian Tang, Hengyu Guo,* Peng Yan,* Chenguo Hu,* Recent progresses on paper-based triboelectric nanogenerator for portable self-powered sensing systems, EcoMat. 2020;2: e12060.

原文链接：https://doi.org/10.1002/eom2.12060

扫描二维码获取

更多精彩

EcoMat