成果简介
高摩擦极性和电荷损耗最小化的摩擦涂层是三电纳米发电机（TENGs）的最佳增效剂。本文，韩国理工大学Jin Woo Bae等研究人员在《Nano Energy》期刊发表名为“Triboelectric touch sensor array system for energy generation and self-powered human-machine interfaces based on chemically functionalized, electrospun rGO/Nylon-12 and micro-patterned Ecoflex/MoS2 films”的论文，研究介绍了两种可提高TENG效率的复合薄膜：电纺丝氨基功能化还原氧化石墨烯（A-rGO）/Nylon-12 和微图案二硫化钼（MoS2）/Ecoflex，它们分别作为高摩擦正极层和摩擦负极层。在尼龙和 Ecoflex 中加入 A-rGO 和 MoS2 纳米柱后，正表面电位和负表面电位分别增加了2.5倍（从+350V到+903V）和3.1倍（从-433V到-1352V）。研究并优化了A-rGO和MoS2含量对TENG性能的影响。
优化后的 TENG包括含有2wt% A-rGO的尼龙-12（NY2）和含有1.5 wt% MoS2的嵌入式 Ecoflex（EC1.5），其最大开路电势为 451 V，短路电流为 13.3µA，转移电荷密度为73.6µCm-2，瞬时功率密度为 1.3 Wm-2，机械转换效率为96.7%。此外，为了获得自供电的人机接口，还制作了一种柔性 NY2/EC1.5三电传感器（TES），不需要隔板。自供电NY2/EC1.5-TES可检测和区分各种人体运动，而基于键盘的自供电NY2/EC1.5-TES可实现TES Piano与计算机之间的实时通信。
图文导读
图1.a） Nylon-12 和 Nylon-12/A-rGO 静电纺丝复合摩擦正极薄膜的分步制造。（b） 静电纺丝尼龙及其复合薄膜（NY1、NY2、NY3和NY4）的照片。（C-E）A-rGO 粉末、NY 静电纺丝和 NY2 静电纺丝膜的 SEM 图像。（f） NY2静电纺丝膜的元素映射图像分析。
图2. a) 微结构图案化 Ecoflex 和 Ecoflex/MoS2 复合摩擦负极薄膜的分步浇铸过程。(b) Ecoflex 及其复合铸膜的照片。(c-e) MoS2 粉末、EC 和 EC1.5 铸膜的扫描电镜图像。(f) EC1.5 铸膜的元素图谱图像分析。
图3. a）EC1.5 的三维表面轮廓图，由 ImageJ 软件使用 SEM 图像进行分析。(b）A-rGO 粉末和尼龙-12（NY）电纺丝膜的 XRD 图样。(c) 尼龙复合材料（NY1、NY2、NY3 和 NY4）电纺丝膜的 XRD 图样。(d) MoS2 粉末和 EC0 铸膜的 XRD 图样。(e）EC0.2、EC0.5、EC1.0 和 EC1.5 复合薄膜的 XRD 图样。(f、g）Ecoflex 及其复合膜的介电常数和介电损耗。(h) 使用 EC0 作为反向材料测量尼龙及其复合电纺丝膜的表面电位。(i) 使用 NY2 作为反向材料测量 Ecoflex 及其复合铸膜的表面电位。表面电位是在使用 5 N 负载以 5 Hz 频率进行 100 次收缩分离后测量的。
图4.a） 带垫片的NY2/EC1.5-TENG接触分离模式工作原理示意图。（b） NY2/EC1.5-TENG接触分离模式的COMSOL仿真数据。
图5.摩擦正极层的优化
图6.摩擦负层的优化
图7.a） 使用 NY2/EC1.5-TES 的智能地毯示意图。（b） 使用NY2/EC1.5-TES阵列的基于键盘的自供电钢琴的示意图。
小结
利用传统的电纺丝技术和简单的铸造技术，分别成功制备了新型高极性尼龙/A-rGO 和 Ecoflex/MoS2 摩擦层。表面形貌、EDS 和 XRD 结果证实了复合薄膜的形成。在尼龙和 Ecoflex 基体中加入 A-rGO 和 MoS2 纳米柱后，正表面电位和负表面电位分别提高了2.5 倍（从 +350 V 到 +903 V）和 3.1 倍（从-433V到-1352V）。此外，还通过改变正负对的数量优化了三电性能。在这些三电对中，分别使用 NY2 和 EC1.5 作为正负层的 TENG 具有更好的三电性能，其 VOC、ISC、电荷密度和功率密度值分别为 451V、13.3 µA、73.6 µCm-2 和 1.3 Wm-2。优化后的 NY2/EC1.5-TENG具有更优越的电气性能，其 VOC、ISC 和 Q 值分别是 NY/EC0-TENG 的11.5倍、14.1 倍和 8.4 倍。此外，NY2/EC1.5-TENG 在 25,000 次循环中表现出卓越的机械稳定性，机械转换效率高达 96.7%。
除TENG外，还制作了无间隔柔性 NY2/EC1.5-TES，以证明其在自供电传感器应用中的适用性。NY2/EC1.5-TES 显示出最大的三电性能，其 VOC、ISC 和表面电荷值分别为 62.5 V、1.7 µA 和 10 nC，比有隔板的 NY2/EC1.5-TENG 低近 7.2、7.8 和 18.4 倍。NY2/EC1.5-TES 的电气性能是根据 0.5 至 5 N 的负载函数进行评估的。传感器在1N以下的负载和VOC之间呈现线性关系，灵敏度为7.5VPa-1。最后，还展示了无垫片NY2/EC1.5-TES 在自供电传感和人机界面方面的实际应用，如识别人体运动、智能鞋和智能地毯，并利用键盘式自供电NY2/EC1.5-TES实现了TES钢琴与计算机之间的实时通信。
文献：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109278
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