01 研究背景
近年來，兼具輕便性與靈活性的可穿戴電子器件在醫療健康監測、健身管理及極端環境感知等前沿領域展現出巨大應用潛力，引發廣泛關注。然而，頻繁的充電需求成為制約其應用的瓶頸。摩擦電納米發電機（TENG）作為一種新興的自供電能量轉換裝置，憑借結構設計簡潔、原材料來源廣泛等顯著優勢，有望成為可穿戴設備供能的重要潛在解決方案。其中，纖維狀摩擦電納米發電機（F-TENG）以其卓越的柔韌性和穿戴舒適性，在可穿戴傳感系統構建及人機交互技術開發中具有突出的應用價值。值得注意的是，在人體大幅度運動過程中，可穿戴電子器件的動態變形會加劇介電層與電極之間的界面失配效應，進而導致器件電性能顯著衰減與機械耐久性降低。因此，在提高F-TENG的電輸出性能的同時，維持器件在運動過程中性能穩定且不受損壞是一項重大挑戰。
02 文章概述
近日，梁東武和段青山課題組聯合開發了一種以燈芯草纖維為模板的可拉伸、可編織的纖維狀摩擦電材料。由該材料組成的纖維狀摩擦納米發電機（FP-TENG）在接觸-分離模式下實現了46V的輸出電壓，輸出功率較純PDMS纖維狀TENG提升了5倍；經歷10000次接觸分離循環，100次拉伸循環及5次水洗循環后的電輸出依舊保持穩定。這項成果以題為《Durable, High-Output, Weavable Self-Powered Pressure Sensors Enabled by Plant-Templated Topological Interlocking Structure and Schottky Junction》發表在近期《Nano Letters》期刊上，梁東武副研究員和2022級碩士研究生謝雨欣為本研究的共同第一作者，段青山副教授為通訊作者，孫磊、羅懿、何娟霞、彭偉卿、章志君、倪博文、黃彥博和石嘉儀參與研究。
03 文章導讀
1.纖維狀摩擦電材料的設計策略
該纖維狀摩擦電材料采用三步法制備。首先，對具有天然三維網狀多孔結構的燈芯草進行堿處理，以提升其表面的親水性；堿處理后的燈芯草纖維內部框架的表面產生皺縮，為填料的原位生長提供了豐富的活性位點。接著，在該纖維模板內部原位生長AgNPs和PPy復合納米顆粒，得到柔性纖維狀電極（PAJ）；電極內部的PPy與AgNPs界面間形成肖特基結，可以實現定向電荷轉移，利于材料界面間的電荷積累效應。最后，將PDMS注入到裝有PAJ的管狀模具中封裝，得到可拉伸、可編織的纖維狀摩擦電材料（PPAJ）；其中，PDMS與PAJ內部形成拓撲互鎖結構。
2.摩擦電材料的表征
通過SEM、FTIR和XRD分析了柔性電極PAJ和纖維狀摩擦電材料PPAJ的組成和結構。結果表明，PPy/AgNPs復合納米顆粒在燈芯草模板上成功均勻負載。需要注意的是，PAJ的XPS中N1s特征峰結合能正向偏移，且I-V曲線呈現非線性與整流特性，二者共同證實了PPy與AgNPs之間肖特基結的存在。
PDMS和PAJ之間的拓撲互鎖結構使PPAJ表現出優異的拉伸能力（142%）和機械強度（1.55MPa）。互鎖結構可消散界面應力，從而減輕局部應力集中現象。在對纖維施加拉伸或壓縮載荷的過程中，這種結構有效抑制了PDMS（介電層）和PAJ（電極）之間的分層，即使在大應變條件下也能保持復合材料的機械連續性，防止循環加載過程中界面分層失效，解決了介電層和電極之間機械失配的問題。
3.摩擦電材料的摩擦電性能
本研究以尼龍和PPAJ分別作為正、負摩擦電材料，成功構筑接觸-分離式摩擦納米發電機（FP-TENG）。研究發現，當Py與AgNO3摩爾比為1:0.5時，FP-TENG展現出最優的電輸出性能。這一現象歸因于PAJ內部相鄰的導電骨架與絕緣PDMS形成大量微電容器結構，從而顯著提升介電界面的電荷密度。DFT計算結果表明，PPy與AgNPs界面發生顯著的電子重新分布，電子由PPy向AgNPs定向轉移，該過程有效促進了介電界面的電荷遷移與積累。此外，介電層與電極之間的拓撲互鎖結構大幅增加了界面接觸面積，而肖特基結的存在進一步提升了材料表面電荷密度。多重機制的共同作用最終實現了FP-TENG輸出功率與穩定性的顯著增強。
4.纖維狀摩擦電材料的壓力傳感性能和用作人體運動監測功能
PPAJ作為可穿戴自供電壓力傳感器的應用場景如下圖所示。該傳感器在低壓水平（<0.2 N）展現出了5.39 N-1的高靈敏度。在較大的拉伸（如手指和手部運動）和微弱人體信號（如面部表情和脈搏）監測過程中，PPAJ均展示了穩定的壓力響應性。
5.集成于紡織品中的應用演示
具有優異柔韌性的PPAJ可通過不同編織方法集成到可穿戴紡織品中，用作柔性壓力傳感器。其中，通過平紋編織的織物基TENG（T-TENG）的最高輸出電壓可達190 V。在模擬人體正常運動及突然撞擊時的壓力狀況時，T-TENG可借助無線藍牙觸發報警信號，展現出作為自供電戶外救援傳感器的應用潛力。此外，將物體放置到由6根PPAJ纖維組成陣列傳感器上后，可通過電壓的輸出信號實現物體識別和壓力定位的功能。
04 結論
本研究成功制備了一種具有優異的柔性、可拉伸性、可編織性和耐洗性的集成纖維狀摩擦電材料。其拓撲互鎖結構使之能夠承受142%的拉伸應變，并在10000次工作循環后能保持穩定輸出。同時，在PPy和AgNP界面的肖特基結促進了電子轉移，提高了電荷密度，顯著提高了FP-TENG的輸出性能。這種組合效應有助于實現FP-TENG的高效穩定的電輸出。此外，PPAJ具有出色的壓力靈敏度，能夠作為自供電壓力傳感器使用，且能監測微弱的人體運動信號。由于具有可編織性，PPAJ可以集成到日常紡織品中組成戶外報警傳感器和陣列傳感器。該基于天然植物模板的纖維集成摩擦電材料的設計策略為制造高性能摩擦電材料提供了一種新方法，為開發智能可穿戴設備和能量收集技術提供了參考。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c00331