【Nano Energy】用于生物力学传感的织物嵌入摩擦纳米发电机的印刷石墨烯电极

研究背景

基于织物的摩擦纳米发电机（TENG）提供了人类服装所需的柔性和穿着舒适性的潜力，然而，大多数TENG仍然依赖于具有金、铝或铜的坚硬和不相容的金属薄膜电极，其耐久性有限，与柔软织物表面的附着力不足，电能输出减少。现代纺织技术已经允许使用具有金属电极的可拉伸、可渗透和可清洗的摩擦电织物，该金属电极能够进行多种变形，如弯曲和扭曲，并降低电噪声。尽管如此，由于它们依赖于特殊的细丝、复杂而漫长的制造过程，生产系统在大多数织物和服装制造中难以佩戴和实施，因此仍存在局限性。印刷技术，如喷涂或浸涂，广泛用于不同生产水平的纺织品制造，包括纤维、纱线、织物和服装，具有多种涂层材料特性，如颜色、阻燃性、防水性或电磁辐射，其他显著优势包括与各种纺织品基材的兼容性、低温加工和图案化能力。溶液处理的碳基电极是具有低界面电阻的有效摩擦电织物电极的理想解决方案，具有显著的电、机械和热性能。石墨烯纳米片作为一种廉价而丰富的源材料特别有吸引力，可用于各种液体复合材料中，具有可调节的电子亲和力和介电常数，从而改善摩擦电响应。石墨烯可以使用各种技术，如滴铸沉积、浸渍或喷涂方法，轻松地印刷到纺织品基材上。这种与印刷技术的兼容性使制造工艺具有可扩展性和低成本效益，使其能够大规模生产织物TENG。此外，与金属纳米颗粒、碳纳米管或氧化石墨烯相比，它允许无毒的水性复合材料，从而改善了环境管理。

文章概述

葡萄牙里斯本大学Helena Alves等人通过使用具有聚二甲基硅氧烷（PDMS）的印刷石墨烯电极和织物本身作为摩擦电对，开发了高效柔性摩擦电织物。采用聚氨酯粘合剂的织物平坦化技术以及三种不同的沉积方法：石墨烯液滴膜（GDF）、石墨烯浸渍膜（GIF）和石墨烯喷涂膜（GSF）。结果显示，柔性织物电极在所有三种印刷技术中都超过了非平面化器件，提高了4倍，功率密度为3.08µW/cm²。此外，通过使用四个并联装置，每个装置尺寸为3×3cm²，增加了TENG的接触面积，功率输出达到了60µW的有效功率。柔性TENG在强变形下表现出稳定的输出性能，并将其对运动的敏感性作为可穿戴传感器来监测生物力学运动。这项工作提供了一种仅使用工业兼容的印刷纺织品工艺构建柔性摩擦电纺织品的通用方法，为自供电可穿戴传感技术与纺织品的无缝集成铺平了道路。该成果以“Printed graphene electrodes for textile-embedded triboelectric nanogenerators for biomechanical sensing”为题发表于期刊《Nano Energy》上。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108688

图文导读

图1.用于摩擦电装置中使用的聚酯/聚酰胺织物基材的形态分析的光学显微镜，无需任何处理（a）和具有平坦化层（b），以及通过轮廓进行的形貌表征（c）。

图2.TENG层示意图，详细的摩擦负性部分显示PDMS作为活性材料（a），以及整体TENG和PDMS与聚酯/聚酰胺作为摩擦电对的工作模式（b）。PDMS与聚酯/聚酰胺TENG的摩擦电特性，该器件的短路电流（c）和开路电压（d）特性，无平坦化层和有平坦化层。

图3。通过SEM对为滴铸（a）、喷涂（b）和浸渍涂层（c）沉积的不同体积的石墨烯悬浮液进行分析，并在每个柱的顶部绘制相应的沉积示意图。石墨烯沉积的演变（每列i）、（ii）和iii）显示了每种技术的顶层随着层数的增加而发生的形态变化。每一行显示了用于三种沉积技术中每一种的类似体积的石墨烯悬浮液的比较。

图4.对于滴铸（黑色）、喷涂（红色）和浸渍涂层（蓝色），以不同沉积体积沉积的石墨烯电极的薄层电阻变化（a）。以及用每种相应沉积技术的石墨烯电极制造的TENG的短路电流（b）和开路电压（c）的各自的摩擦电特性。

图5.使用van Der Pauw技术在石墨烯电极上测量的1至10cm（a）的不同弯曲无线电的静态弯曲试验（b）。应用于通过三种不同沉积方法生产的电极，显示每种方法的薄层电阻变化，即滴涂（黑色）、喷涂（红色）和浸渍涂层（蓝色）（c）。在Voc（d）和Isc（e）中从无弯曲到1cm半径的连续静态弯曲步骤后，用不同石墨烯电极制造的Teng的摩擦电性能。

图6.刺激线性运动的不同频率的（a）电压和（b）电流TENG特性，以及20MΩ并联负载，用于测量期间的信号稳定。用PDMS与聚酯/聚酰胺TENG对电压、电流和瞬时功率密度与不同外部负载阻抗的电输出曲线的评估（c）。由并联的1、2和4个装置组成的TENG组件的瞬时功率特性（d）。有用电荷测试的电路图，显示了与电容器和负载耦合的整流元件，以将TENG AC信号转换为DC输出（e），并使用1、2和4个并联器件（f）得出结果。

图7.运动的生物力学运动监测。实现基于肢体弯曲或伸展的身体运动识别的摩擦电传感装置的关键传感点（a）。使用单电极PDMS摩擦电传感器的不同运动特性感测信号（b）和（c）。使用双摩擦电传感器配置对完全伸展的手臂运动进行信号解释，以定位弯曲时的手臂位置。

结论

提出了一种TENG和传感器具有可穿戴与柔性，其被织物嵌入并带有石墨烯印刷电极，具有良好的功率采集和运动监测功能。石墨烯纳米板与平坦化层的结合显示出适用于金属触点替换的低成本高性能柔性导电层。不同的沉积方法在柔性织物基底中产生了类似的石墨烯膜，其薄层电阻低至90 kΩ/sq。当由沉积在电极顶部的聚合物层（PDMS）保护时，石墨烯沉积的类型对于在摩擦电纳米发电机中的实现是非关键的，该聚合物层也充当摩擦电层。PDMS顶层的这种增加的稳定性是明显的，因为没有验证电阻率随弯曲而发生显著变化，并且所有TENG都显示出类似的功率特性，Voc和Isc值分别约为65 V和0.4µA。TENG的功率密度达到3.08µW/cm2，4-TENG并联组合的有效功率接近60µW。通过织物集成传感器的生物力学发电也可以利用摩擦电层的固有灵活性。由于摩擦电传感器的形变能力，其能够在人体的关键运动部位实现，并用于通过电信号监测生物力学运动。所提出的能量采集器和传感器使用低成本和可扩展的材料和工艺，展示了其在可穿戴生物电子学、智能机器人、假肢和康复目的方面的潜力。进一步的工作将集中在PDMS/纺织摩擦电对输出功率管理的优化上，以提高TENG的性能。使用多个组合的摩擦电石墨烯运动传感器来改善更复杂的传感装置的信号和数据处理，将允许康复服装进行身体运动识别。