随着人机交互、健康监测和人工智能的普及，可穿戴技术得到快速发展并已成功应用于虚拟现实，电刺激和可穿戴数字医疗保健等领域，这激发了工业界和学术界越来越多的兴趣。近年来，研究人员创造了各种多功能可穿戴设备，极大地丰富了人们的生活。目前，为了收集可穿戴设备周围分布的机械能，已经发明了一些能量收集技术如摩擦纳米发电机（TENG）。然而，TENGs中常用的用于水滴能量收集的聚合物薄膜具有透气性差、亲肤性差和不可修复的疏水性等缺点，从而极大地阻碍了其可穿戴应用。因此，开发具有防水、透气、自我修复等特性的多功能面料，实现人体运动能量和环境水滴能量的采集，为可穿戴电子产品的可持续供电具有重要意义。
鉴于此，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士和董凯副研究员报告了一种全织物TENG（F-TENG），它不仅具有良好的透气性和疏水性自修复性能，而且还显示出有效的能量转换效率。由SiO 2纳米颗粒和聚偏二氟乙烯-共聚组成的疏水表面-六氟丙烯/全氟癸基三氯硅烷 (PVDF-HFP/FDTS) 的静态接触角为157°，并显示出优异的耐酸碱性。由于其玻璃化转变温度低，PVDF-HFP在加热条件下可以促进FDTS分子向表层移动，实现疏水自修复性能。此外，通过优化的成分和结构，与传统的单电极模式TENG相比，F-TENG的输出电压提高了7倍，总能量转换效率达到了2.9%。这项研究所提出的F-TENG可用于雨滴能量收集的多功能可穿戴设备。相关工作以“A Hydrophobic Self-Repairing Power Textile for Effective Water Droplet Energy Harvesting”为题发表在国际顶级期刊《ACS Nano》上。
疏水织物的特点、制备工艺及表征
水滴能量收集的F-TENG结构如下（图1）。疏水织物表面由SiO 2纳米粒子、FDTS和PVDF-HFP组成。三个组分共同作用提供原始的织物表面疏水性和疏油性，其中SiO2纳米粒子增加表面粗糙度；FDTS大大降低了表面自由能并增加了表面疏水性；PVDF-HFP在粘合剂中起到固定SiO2纳米粒子和FDTS聚合物分子的作用，提高疏水性的耐久性。疏水织物的制备过程主要包含两步浸涂策略（图2）。二氧化硅纳米粒子可以均匀地分布在PET织物表面，并且包覆的PVDF-HFP/FDTS组分似乎很好地固定了SiO 2纳米粒子，这可以增强织物的疏水稳定性。疏水织物具有自清洁能力，通过水滴滴洗可以很容易地将石墨粉从疏水表面去除。SiO 2/PVDF-HFP/FDTS表面显示出良好的疏水稳定性，因为PVDF-HFP的盲剂可以将SiO 2纳米粒子和FDTS分子固定在疏水涂层上。此外，作者还测试了涂层织物和原织物的透气性。疏水织物的透气性高于商业牛仔织物（∼10 mm s –1）。这些结果表明疏水性织物在可穿戴应用领域仍然具有良好的透气性和舒适性。
图1 F-TENG的特点
图2疏水织物的制备过程和表征
F-TENG水滴能量收集工作机理及优化
作者使用多功能疏水织物构建了用于水滴发电的F-TENG（图3）。当水滴从高处滴落时，水滴先滴在表面，然后在疏水表面扩散。在水滴与顶部电极接触之前，所有感应电荷将分布在底部电极上。一旦扩散的液滴与顶部电极接触，电子将从顶部电极转移到底部电极以平衡电位差，产生峰值电流信号。当铺展的水滴达到最大面积后，水滴开始收缩并从疏水表面滑落。由于水滴的扩散面积随着水滴的收缩而减小，底部电极会再次感应出相反的电荷，以平衡疏水表面的负电荷，并产生相反的峰值电流。实验结果表明，疏水性较好的织物表面具有较好的输出性能。
图3 F-TENG的工作机制和优化方法
F-TENG在水滴能量收集中的应用
为了证明F-TENG在水能收集方面的良好性能，作者进行了一系列实验来模拟实际条件，以测试F-TENG的电气性能（图4）。F-TENG的最大输出功率高达0.11 mW，外部匹配电阻为50 MΩ，远高于用于水滴能量收集的传统单电极模式TENG和基于织物的TENG，实现了2.9%的总能量转换效率。在18000个循环加工后，对F-TENG显示没有显着的波动，输出电压，表明其为在实际水滴能量收集应用的长期稳定性。F-TENG用于为不同的商用电容器充电。0.47 μF电容可在40 s内充电至12 V，6.6 μF电容可充电至0.9 V。最后使用F-TENG点亮LED，发现一个水滴可以点亮25个LED，这表明F-TENG可以有效地收集水滴能量，为可穿戴电子设备供电并显示出巨大的应用潜力。
图4 F-TENG在水滴能量收集中的应用
小结：作者报告了一种具有良好透气性、疏水性自修复性能和有效能量转换效率的全织物TENG用于水滴能量收集。通过依次涂覆SiO 2纳米颗粒溶液和PVDF-HFP/FDTS混合溶液制备疏水织物。通过优化每种材料的成分和浓度，制备的疏水织物显示出良好的耐洗性、耐酸碱腐蚀和疏水自修复能力。此外，疏水织物作为一种可穿戴的水滴收集器，可以有效地将水滴能量转化为电能，输出电压为22 V和7.5 nC。F-TENG具有良好的透气性、疏水性自修复性和更高的转换效率，不仅在多功能可穿戴设备中具有广泛的应用前景，而且可以与接触分离模式TENG结合，同时收集人体运动和水滴的机械能活力。
全文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c06985
来源：高分子科学前沿
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