AM:基于蒸汽相分离PVDF与基因重组蛛丝蛋白的自匹配摩擦电/压电纳米发电机

日期: 2020-03-29
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可穿戴电子的大力发展带来巨大的便携式、集成式甚至与人体一体化的能源需求。近年来,可穿戴柔性纳米发电机,如摩擦纳米发电机,作为有效的能量转化器件受到了研究人员的广泛关注。但现有接触—分离式摩擦纳米发电机的能量转化效率较低,同时柔性不足以及与人体相容性差等问题限制了其在可穿戴能量转化器件上的实际应用。


目前提高摩擦电纳米发电机性能的主要手段有设计纳米结构以及调节材料本身,其目的都是提高材料对之间的电子转移效率,但这两种途径都带来了较高的开发成本。压电材料是一种能在外力作用下产生表面电势的材料,其表面电势能够帮助或者抑制表面电子的转移,因此将压电材料匹配到摩擦电材料体系中,能够有效增强纳米发电机的能量转化效率。中国科学院上海微系统与信息技术研究所丁古巧课题组与陶虎课题组合作提出了基于压电与摩擦电自匹配概念,并在上海交通大学夏小霞课题组和华山医院毛颖课题组的紧密合作与支持下,研发了基于压电电势修饰摩擦电的混合纳米发电机体系,发展出具有高能量转化效率的混合纳米发电机,相关结果发表在Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.201907336)上,并被选为当期的Front Cover。


AM:基于蒸汽相分离PVDF与基因重组蛛丝蛋白的自匹配摩擦电/压电纳米发电机


柔性压电材料,聚偏氟乙烯(PVDF),是一种具有高压电性能的高分子材料,被广泛用于可穿戴压电式纳米发电机与传感器,在外力作用下,PVDF能够在其表面产生较高的压电电势,且能够与摩擦电材料聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET,易得电子材料)很好接触并进行表面电荷修饰。石墨烯,由于其超高比表面积与负表面电势,可用于PVDF的增强掺杂,并有报道相分离法能够引发PVDF高压电相的形成,因此研究者们利用石墨烯掺杂以及蒸汽诱导相分离进行PVDF的压电诱导,并依附于PET材料表面,进行PET表面电荷修饰。另一方面,利用基因改性的蜘蛛丝蛋白作为失电子材料与PET形成得失电子材料对。得电子材料对和失电子材料对匹配,最终获得的混合纳米发电机具有较高的能量转化性能。该器件在外力作用下能够形成300 V开路电压与72 ìA的短路电流(器件面积6.25 cm2),最高能量密度可达4016 mW m-2,相较于现有已报道的柔性纳米发电机,其能量能量密度达到领先水平,能量转化效率也达到了50.9 %,且在长达18000次循环能量收集过程中均保持稳定的能量输出。由于该器件主体材料是由生物相容的PVDF与蛛丝蛋白组成,可植入到人体中,并进行能量收集,研究者们将该器件植入到老鼠体内,可以收集到老鼠心跳的能量并给电容器充电;同时由于该器件输出电压高,可制备成摩擦电/压电传感器,识别人体运动手势等。


利用压电表面电势帮助摩擦电电子转移,相比与其他已报道的方法具有更简单、更有效的增强效果,且基于生物相容的PVDF与基因编辑重组蛛丝蛋白,避免了植入过程中对生物体的损害,同时保证了高效的能量转化率,以提供足够能源用于驱动低能耗电子设备运行,推动了未来可穿戴电子的发展。 


来源: MaterialsViews公众号 


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