成果简介
目前，三电纳米发电机（TENGs）在能量收集和自供电传感器中的应用已引起广泛关注。开发具有优异电气性能、良好弹性和耐用性的 TENG 仍然是一项具有挑战性的任务。本文，温州大学Taihong Cheng等研究人员在《J. Mater. Chem. C》期刊发表名为“Energy harvesting devices and smart sensors based on porous sponge-type triboelectric nanogenerators”的论文，研究提出了一种多孔石墨烯-Ecoflex 三电纳米发电机（PGE-TENG）。利用牺牲糖模板法，将少层石墨烯（FLG）与 Ecoflex 充分混合，制备出柔性多孔海绵。通过将导电海绵与导电银纤维织物相结合，制备出了具有机械、导电、能量收集和压敏特性的 TENG。
为了提高输出性能，通过系统控制 FLG 与 Ecoflex 的质量比，优化后的 PGE-TENG 与未优化的 TENG 相比，摩擦电性能提高了 220%。此外，PGE-TENG 的瞬时功率密度达到了 174 mW m-2。因此，它既能为小型电子设备供电，又能作为压力传感器响应压力信号。重要的是，与未经优化的TENG相比，PGE-TENG的回弹性提高了19倍以上，耐压性提高了5倍以上，在连续加压和长期使用过程中具有良好的稳定性。这项研究展示了制备高性能 TENG 的低成本和简单方法；通过使用物联网（IoT）技术，单电极模式 PGE-TENG 可集成到智能家居的实时控制开关系统中，实现识别智能家居模块（如灯、门、风扇和加湿器）的触发信号并控制其运行状态。这一进展为开发智能传感应用中的 TENG 器件提供了宝贵的启示。
图文导读
图1、 复合材料的制备和力学性能表征示意图
图2、 PGE-TENG 的工作机制、模型模拟和性能分析。
图3、 PGE-TENG 的电输出性能和耐久性实验。
图4、 PGE-TENG 的储能和应用
图5、 PGE-TENG 在智能传感和控制系统中的应用。
小结
综上所述，本研究采用一种简单、高效且具有成本效益的方法，通过牺牲糖模板法制备柔性 PE 海绵。作为一种高性能和高灵敏度的摩擦层材料，PE 海绵可用于 TENG 应用的各种操作模式。此外，掺杂一定量的 FLG 不仅增强了 PE 海绵的力学性能，还提高了其摩擦电输出性能。在机械强度方面，PGE 导电海绵的峰值应力为0.4MPa，显著高于未掺杂石墨烯的 PE 海绵的 0.01 MPa。在电输出性能方面，在3Hz和30N 的外部条件下，输出电压从 40 V 增加到 86 V，短路电流从 0.8 μA 增加到 2.1μA。当外部负载电阻为 80 MΩ 时，最大输出功率密度达到 174 mW m−2，在 60 N 的力下，输出电压可达 110 V。重要的是，触点分离产生的摩擦电信号的响应时间为 183ms，表现出优异的灵敏度。由此可见，PGE 导电海绵在不同外部条件下表现出优异的电输出性能、灵敏度和机械性能。因此，基于上述性能测试，制造了一种单电极 PGE-TENG 器件，该器件可用于收集人体机械能，也满足了智能传感领域的实际应用。通过将 PGE-TENG 与物联网 （IoT） 技术集成，本研究实现了对模拟智能家居电子设备开关的实时控制，提供了 TENG 设备与多样化、智能化电子设备的有效集成。此外，它还确保了 TENG 设备的经济可行性、耐用性和高灵敏度等优势。这项研究提供了一种可行的研究方法，并展示了未来自供电传感系统、能量收集和智能电子设备的巨大潜力。
文献：https://doi.org/10.1039/D4TC02884H
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