【学术聚焦】2023年第34期：材料学院邓波教授团队在基于不同几何结构的织物摩擦纳米发电机研究方面取得新进展

近日，武汉纺织大学材料学院邓波教授课题组与省部共建纺织新材料与先进加工技术国家重点实验室徐卫林院士合作共同报道了不同几何结构织物的摩擦纳米发电机用于柔性可穿戴电子产品的最近研究进展，相关研究以“Research Progress of Fabrics with Different Geometric Structures for Triboelectric Nanogenerators in Flexible and Wearable Electronics”为题发表在纤维材料领域权威期刊《Advanced Fiber Materials》(中科院一区Top)上。武汉纺织大学为唯一单位，材料学院硕士研究生闫大利和叶健为论文的共同第一作者。论文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s42765-023-00334-z#rightslink

化石能源的过度使用及各领域日益增长的能源需求矛盾成为限制人类可持续发展的重要瓶颈。人类不断寻找各种新型可再生能源，如风能、水流能、人体运动能等。基于静电感应和摩擦起电耦合作用的摩擦纳米发电机可高效收集自然和生活中浪费的各种机械能，为缓解这种矛盾提供了切实可行的方案。此外，纺织品是人类每天的必需品，与人体贴合密切。以织物为载体的摩擦纳米发电机对于生物能量的收集、可穿戴电子设备供能及自供电传感等领域有着更为广阔的应用前景。

纺织基摩擦纳米发电机一般由摩擦材料和电极材料组成，电极层负责将摩擦层的电荷进行导出。早期人们以聚合物薄膜作为摩擦材料制备摩擦纳米发电机，然而聚合物薄膜不耐洗、不透气、与衣服不相容，因此用窄的聚合物条带或布带取代了薄膜作为摩擦材料（图1）。引入金属作为纺织基TENG的电极虽然能很大程度上导出摩擦层产生的电荷，但金属电极易疲劳断裂，与织物柔韧性欠佳（图2）。相比之下以核壳纱线为主的织物结构设计在柔软性、耐久性等方面更有优势（图3），更有人探究电极的串并联结构来优化摩擦纳米发电机的电性能输出（图4-5）。

图1 二维-基于条状编织结构的二维摩擦纳米发电机

图2 二维-金属电极结构的二维摩擦纳米发电机

图3 二维-核壳电极结构的纺织基摩擦纳米发电机

图4 二维-串并联电极纤维结构的摩擦纳米发电机

图5 二维-并联电极纤维结构的纺织基摩擦纳米发电机

三维纺织基摩擦纳米发电机除了摩擦层和电极层之外，还有提供间隙的间隔层（图6）。间隔层必须有适当的弹性和耐久性来维持电性能的稳定输出，并且间隔材料的引入应避免影响摩擦层电荷的产生。此外，三维纺织基摩擦纳米发电机大多以垂直分离模式工作，这对于以垂直运动为主的人类活动能量的收集有着得天独厚的优势。

图6 三维-全柔性纺织基摩擦纳米发电机

作者指出，纺织基摩擦纳米发电机在发展和应用上还需要开展很多研究工作，包括：1）目前采用标准化策略衡量摩擦纳米发电机输出性能仍有挑战；2）纺织基摩擦纳米发电机高内阻的特性使得电压输出呈现高电压、低电流的特点，优化负载与纺织基TENG的阻抗匹配还有待提高；3）大多数纺织基摩擦纳米发电机交流输出不利于对电子器件直接供能，整流器件的集成或柔性化是纺织基摩擦纳米发电机亟需的；4）纺织基摩擦纳米发电机电性能的输出具有瞬时性，将TENG与柔性电容器结合保证自供电传感的用电持续不断也是有前景的方向。此外，作者展望了纺织基摩擦纳米发电机在智能医疗、智能服装和智能应用等未来的应用场景，希望为纺织基摩擦纳米发电机的发展和应用提供一定的思路。

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