基于超声喷涂石墨烯电极的织物基摩擦纳米发电机

研究背景

智能纺织品的发展依赖于高质量织物电子产品的发展。该领域的一个主要挑战是创造一种能够适应身体运动的电源，同时为智能纺织品中的传感器和微控制器网络提供稳定可靠的输出。为了解决这个问题，能量采集器是电池的可持续替代品。各种能量收集技术，包括太阳能、电磁、压电、热电和摩擦电，已经被探索用于可穿戴设备的解决方案。其中，摩擦纳米发电机（TENG）从身体运动中获取能量，其在自供电传感器方面显示出了应用前景。

已有文献报道，展示了探索基于纺织品的TENG获取小规模机械能的潜力，尽管仍需要显著改进才能在不影响性能的情况下实现工业级生产、广泛适用性、低成本效益和可穿戴性。其中，创造真正可穿戴的织物TENG的一个障碍是电极材料的选择。传统的电极是易被氧化的刚性或半刚性金属。石墨烯材料，特别是少层和多层石墨烯，符合柔性但坚固的织物兼容电极的标准。先前的研究已经证明，在TENG中使用还原氧化石墨烯（rGO）作为电极和摩擦正极层，与PTFE和铝电极配对，在4 Hz的工作频率和256  kPa的施加压力下可以输出81.5 V电压和3.9 μA的电流。石墨烯导电浆料也被探索作为尼龙织物上的电极，在3 Hz和5.6 kPa下接触皮肤可以产生213.75 V和3.11 μA的输出电压和电流。尽管如此，通过简单、可扩展的结构无缝集成到服装中，进一步提高TENG输出并实现高功率密度仍然是一个挑战。

文章概述

在此，作者展示了一种新的方法，通过使用超声波喷涂将石墨烯纳米片（GNPs）悬浮液涂覆在聚酯、尼龙和间位芳纶等各种材料的纺织织物上，来制造纺织电极。这种喷涂技术由于其微米级的极窄液滴分布而提供了薄而均匀的石墨烯涂层，确保了一致的结果，同时由于其自动化性质而提供了大规模生产的可能性。这些石墨烯电极能适应织物的表面粗糙度，表现出优异的导电性，并在弯曲、压缩和拉伸测试中表现出弹性。在这项研究中，我们使用这些类型的GNPs织物电极来演示具有增强输出参数的基于织物的TENG，它既可以用作能量收集设备，也可以用作自供电压力传感器。将GNPs/聚酯/PDMS结构嵌入TENG器件中，并在不同材料（包括不同织物类型）的摩擦电对中进行研究，以建立本工作中的摩擦电系列。此外，作者还对TENG设备接触分离频率、接触力、分离距离和接触面积的依赖性进行了系统研究。

文章以“Fabric-based triboelectric nanogenerators with ultrasonic spray coated graphene electrodes”为题目发表在国际著名期刊《Nano Energy》上，作者为英国埃克塞特大学Kavya Sreeja Sadanandan团队。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108797

图文导读

图1（a） PDMS/丁腈-TENG的示意图和（b）PDMS侧各层结构。它显示了聚酯织物基底、顶部的GNPs涂层（黑色）、GNPs涂层边缘的环氧树脂铜线，以及顶部的PDMS摩擦层。（c）（d）弯曲角度下和横截面角度的装置照片，以显示该TENG装置的灵活性和厚度。（e）纯聚酯织物、（f）顶部喷涂的GNPs和（g）顶部旋涂的PDMS聚合物的表面的扫描电子显微镜图像，以及底部的（h）、（i）、（j）横截面图。

图2（a） 固定PDMS侧，测试不同织物、橡胶、纸张和塑料材料，按其表面电荷密度的降序列出。（b） PDMS尼龙TENG的功率特性，随着负载电阻的增加输出电流（黑色，实心正方形）和功率密度（绿色，实心圆形）变化。

图3 在用SF₆等离子体氟化PDMS表面之前和之后，在1Hz和3Hz频率下测量PDMS尼龙TENG的电压和电流输出，持续10s。在1 Hz下，（a）电压从140 V增加到356 V，(b)电流从1.1 μA增加到2.5 μA。在3 Hz下，(c)电压从140 V增加到355 V，然而(d)电流从2.4 μA增加到6.5 μA，通过SF₆氟化增强PDMS表面显著提高输出性能。

图4（a） PDMS尼龙TENG在从0.5 Hz到4 Hz的不同频率下以0.5 Hz的增量的电流输出。电流随频率从0.5 Hz时的1.6 μA明显增加到4 Hz时的7.3 μA。（b） 在接触和分离循环中，随着PDMS和尼龙侧之间的最大距离的变化，记录1 Hz下PDMS尼龙TENG的电压和（c）电流输出。电压和电流的输出都显示出随着距离的增加而增加的值。插图显示了板之间各自的距离。

图5（a）随着压力增加，PDMS-丁腈TENG在3 Hz频率下的电流输出。（b）不同压力下的平均电流输出展现出线性响应。不同面积丁腈样品与固定面积的PDMS（3 cm ×3 cm）接触分离产生的（c）电压和（d）电流响应。插图显示了不同测试尺寸下的丁腈。

图6 在（a）PDMS侧的1000次弯曲试验之前和之后，对PDMS-丁腈TENG进行的不同稳定性试验及其电压和电流响应，在（b）90%和（c）使用局部空气电离器的电离气氛下测试。

图7（a）连接到负载的电路示意图，（b）实验室制造的OLED和（c）120个商用LED均被TENG点亮。插图显示LED处于关闭位置。

结论

在这项工作中，作者对基于聚酯织物的具有超声喷涂石墨烯电极和PDMS摩擦层的TENG器件进行了系统研究。定量研究了TENG对接触分离频率、力、接触面积和摩擦电层之间的分离距离的响应，以及对PDMS层的化学改性，以了解该设备的工作方式，从而提高所产生的输出。这些结果可以通过添加导电聚合物、纳米颗粒等导电材料来提高石墨烯电极的导电性，或者采用导电级别更好的GNPs，优化PDMS层的厚度，以及通过对摩擦层引入永久的物理和化学改性来进一步改善。发现这些装置能够承受恶劣的环境条件和机械变形。它们的高性能表明，有潜力用作各种可穿戴电子设备的能量收集组件，以及作为压力传感器集成到自供电智能纺织品。