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華科大楊光教授團隊 AFM: 基于生物制造的超疏水織物型TENG用于能量收集和運動監測

2023-07-30 來源：高分子科技

近日，華中科技大學生命科學與技術學院楊光教授團隊以細菌纖維素（BC）為基材，結合濕擰、生物制造以及納米摻雜等工藝方法，設計了一種具有新型超疏水導電纖維(SEBC fiber)，并以此構建具有自清潔和抗污性能的可降解超疏水織物型納米摩擦發電機(SF-TENG)。相關研究內容以“Fabric-Based TENG Woven with Bio-fabricated Superhydrophobic Bacterial Cellulose Fiber for Energy Harvesting and Motion Detection”為題發表于國際權威期刊《Advanced Functional Materials》上，華中科技大學在讀博士生陳坤為第一作者。

圖1.（a）運動健康監測系統示意圖；（b）SF-TENG示意圖；（c）SF-TENG的織物結構示意圖；（d）SEBC纖維的制備過程；（e）生物制造過程；（f）殼核結構示意圖。

織物型納米摩擦發電機（Fabric-based TENGs）具有開發為織物型可穿戴器件的前景，其出色的輸出性能、柔性和可穿戴性受到了科研人員的廣泛關注。然而，織物的縫隙結構往往會導致織物型摩擦發電機的表面積累污染物，進而影響到織物型摩擦發電機的使用性能和壽命。

研究人員將碳納米管（CNTs）摻雜至細菌纖維素表面，通過濕擰工藝得到導電的BC基纖維線，一次超疏水改性使其具備初級的超疏水性能，而后將其置于木醋桿菌培養基中實施生物制造過程以形成殼核結構，最后對具有殼核結構的導電纖維線進行二次超疏水改性得到超疏水導電纖維線。在設計過程中，研究人員創新性地使用了生物制造的工藝方法，原位構建了高性能的殼核纖維結構，殼層具有堅固的超疏水性能和介電性能，支撐自清潔特性及摩擦電性能，核層細菌纖維素具有優異的機械性能，支撐其纖維特性和可編織的特性。表征結果顯示，所構建的SEBC纖維線具有優異的導電性能、機械性能、可生物降解性和堅固的超疏水性能。進一步，研究人員以SEBC纖維線構建了超疏水織物型納米摩擦發電機（SF-TENG），并測得其最大開路電壓（V_OC）為266.0 V、最大短路電流（I_SC）為5.9μA、最大輸出功率為489.7μW，此外，SF-TENG繼承了SEBC纖維優異的超疏水性能，能夠在各種液體污染的情況下穩定輸出。最后，為了測試實際使用性能，研究人員將SF-TENG與衣物結合，構建了能夠檢測運動信號的智能衣物和一套運動健康監測系統并用于各種運動場景下的運動行為監測，結果表明SF-TENG能夠在各種污染以及復雜環境條件下進行運動監測，證明了所構建的SF-TENG在可穿戴設備領域的應用前景。

圖2.（a，b，c）BC纖維、EBC纖維和SEBC纖維；（d）SEBC纖維表面的微納結構表征；（e）殼核結構交界處的微納結構表征；（f，g，h）SF-TENG織物。

圖3.（a）EBC纖維和SEBC纖維的導電性；（b，c）纖維的應力-應變曲線、拉伸強度、楊氏模量；（d，e）SEBC纖維與水及HCl，NaOH，NaCl，PBS溶液的接觸角；（f）對應的接觸角數值；（g）SEBC纖維和SEBC_ⅰ纖維線的超疏水耐久性實驗；h）生活常見液體滴在SF-TENG的表面狀態；（i）SF-TENG的自潔性能；（j，k）BC纖維和SEBC纖維的生物可降解性能表征。

圖4.（a）雙電極模式下的SF-TENG的示意圖；（b）SF-TENG與PTFE、PVC、PDMS、Dacron、Nylon以及cotton組合時的輸出電壓；（c，d，e）SF-TENG在不同頻率下的V_OC，I_SC及Q_SC；f，g）SF-TENG在不同濕度下及不同壓力下的輸出電壓；（h）SF-TENG在不同負載電阻下的瞬時功率；（i）SF-TENG穩定性測試；（j）對不同電容器的充電測試。

圖5.（a）智能衣物和運動與健康監測系統構建示意圖；（b，c）智能衣物照片；（d，e，f，g）在不同抬腿速度、不同抬腿高度、不同運動狀態、不同液體污染條件下檢測到的運動信號；（h）運動與健康監測系統在戶外的場景下進行測試；（i，j）電路系統；（k）監測軟件的屏幕截圖。該工作由華中科技大學生命科學與技術學院楊光教授團隊完成。論文第一作者為華中科技大學博士生陳坤。華中科技大學楊光教授、華中科技大學石志軍博士、湖北科技學院胡三明博士為該文章的共同通訊作者。

該工作得到了金磚國家科技創新框架計劃（3rd call 2019）、國家重點研發計劃（批準號 2018YFE0123700）、國家自然科學基金（批準號 51973076）、中央高校基本科研業務費專項資金（批準號：2020kfyXJJS035）等的支持。該工作同時感謝華中科技大學機械學院吳豪老師團隊的協助。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202304809

論文引用：Chen, K.,Li, Y., Yang, G., Hu, S., Shi, Z., Yang, G., Fabric-Based TENG Woven with Bio-Fabricated Superhydrophobic Bacterial Cellulose Fiber for Energy Harvesting and Motion Detection. Adv. Funct. Mater. 2023, 2304809.

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（責任編輯：xu）

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