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科研动态

武大唐炬/湖工大张晓星/东华熊佳庆《Nano Energy》综述:基于静电纺丝纤维的摩擦纳米发电机研发及应用进展

发表时间:2022-10-19 作者:小萝自愈扣出白桨 浏览次数:

基于摩擦起电和静电耦合效应构建的摩擦纳米发电机(TENG)在多元微能量收集、自取能传感、人机交互等领域获得了广泛关注,而高性能摩擦电材料的设计、制备是提升器件输出和传感器响应性能的基础和关键。此外,基于TENG的人机交互界面、电子皮肤等对器件灵活性、穿戴舒适性、界面相容性等提出了更高要求,迫切需要研发具有透气、可拉伸、浸润性可控等特点的高性能摩擦电材料。静电纺丝作为一种典型的纳米/微米纤维加工方法,能够满足上述要求并助力可定制化TENG研发。近日,武汉大学唐炬、湖北工业大学张晓星教授和东华大学熊佳庆在《Nano Energy》发表题为“Advances in electrospun nanofibers for triboelectric nanogenerators”的综述文章,从工作机理、加工策略、形貌调控、功能集成和性能增强机制等方面系统总结了基于静电纺丝纤维的摩擦电材料和电极(集流体)的最新研究进展,展示了静电纺丝纤维TENG在能量收集、自取能传感和交互界面等方面典型应用,提出了本领域目前面临的主要挑战并展望了未来的发展趋势。武汉大学副研究员李祎、副教授肖淞为本文共同第一作者,湖北工业大学张晓星教授、东华大学熊佳庆为本文通讯作者。

静电纺丝构建多功能纤维材料:首先,介绍了电喷/电纺发展简史、典型加工方式(同轴电纺、混纺、共轭纺丝等)及主要材料类型,分析了电纺溶液特性、加工及环境参数对电纺纤维机械、介电性能的影响机制,重点介绍了电纺纤维微纳结构调控方法以及结点焊接增强力学性能等策略。其次,总结了静电纺丝高性能摩擦电材料的性能提升机制,包括界面粗糙度提升、功能材料整合、器件结构优化等,阐述了非金属、金属纳米/微米功能填料对正/负极性摩擦电活性材料界面极化、介电性能、载流子捕获等影响摩擦电输出的核心性能影响机理。最后,介绍了静电纺丝纤维的透气性、浸润性、抗菌性、可降解性等附加特性及其实现方式,总结了基于静电纺丝纤维构建的多类型电极(导电聚合物、1D/2D导体等)整合策略及其电气性能。

静电纺丝纤维TENG应用:作者总结了静电纺丝纤维TENG应用于能量收集、自取能传感、人机交互等方面的典型案例。例如,静电纺丝TENG作为能量收集器和电源可用于自供电降解、金属防腐蚀、液滴操控等;基于静电纺丝TENG的自取能传感器除压力传感外,在气体、温度、声音、生理特征(睡眠、呼吸、运动)识别和监测等方面均表现出优异性能和应用潜力;另外,电纺全纤维基TENG在防护口罩、生物界面等应用场景优势显著。

静电纺丝TENG挑战及发展趋势:作者总结并绘制了静电纺丝TENG的发展路线图;从材料设计制备、界面适应性、器件耐久性、大规模生产及应用四个维度总结了现阶段电纺纤维TENG面临的主要技术难点和挑战,并提出了潜在的解决方案;同时,从微观机理深化、宏观性能提升、器件集成与应用三个方面展望了静电纺丝纤维TENG未来的发展趋势。

小结:本文系统总结了静电纺丝TENG的研究现状及发展趋势,重点介绍了电纺摩擦电材料和电极的设计加工方法、性能提升机制及典型应用情况,相关内容不仅能够为高性能TENG发展提供重要参考,同时也有望为传感器、储能器、驱动器、可穿戴电子等领域静电纺丝先进功能材料的研发提供有益见解。