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東華大學(xué)游正偉教授和俞昊教授團隊:3D打印一體定制面向可穿戴電子設(shè)備的摩擦納米發(fā)電機
2018-11-26  來源:中國聚合物網(wǎng)

  近日,東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院游正偉教授-俞昊教授團隊在摩擦納米發(fā)電機領(lǐng)域取得重要進展,相關(guān)研究成果以《3D打印一體定制彈性可持續(xù)的面向可穿戴電子設(shè)備的摩擦納米發(fā)電機》(A single integrated 3D-printing process customizes elastic and sustainable triboelectric nanogenerators for wearable electronics)為題,作為封底發(fā)表于國際材料學(xué)著名期刊《Advanced Functional Materials》。

  摩擦納米發(fā)電機(TENG)是由佐治亞理工學(xué)院王中林院士于近年提出的將環(huán)境機械能高效轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)。這種新興的技術(shù)為利用生物機械能構(gòu)建自驅(qū)動可穿戴電子設(shè)備提供了一種全新的解決方案。但是目前TENG的通常需要各部分分別制備然后組裝,較難構(gòu)筑不規(guī)則形狀,限制了其應(yīng)用。

  為了解決這一難題,游正偉教授團隊基于新近發(fā)展的熱固性材料3D打印新技術(shù)(Mater. Horiz., 2018, DOI: 10.1039/C8MH00937F),構(gòu)筑了具有三維立體多孔結(jié)構(gòu)的摩擦納米發(fā)電機(3DP-TENG)。該3DP-TENG利用聚癸二酸甘油酯(PGS)為熱固性彈性基材和一種摩擦材料,碳納米管(CNTs)分散其中構(gòu)成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和另外一種摩擦材料。制備中以PGS預(yù)聚物、CNTs和鹽粒為打印墨水。其中鹽粒是關(guān)鍵,作為增強劑保證打印固化成型,同時作為致孔劑獲得了多孔結(jié)構(gòu),每個微孔相當(dāng)于一個摩擦納米發(fā)電機。當(dāng)被擠壓時,微孔上下管壁接觸,PGS和CNTs之間由于對電子束縛能力的不一樣,在接觸時二者間發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移。由于3DP-TENG是彈性的,因此外力撤去時,微孔恢復(fù)原狀,電荷被分離在上下管壁的PGS和CNTs中,從而在CNT與大地之間產(chǎn)生電勢差,加上外導(dǎo)線就構(gòu)成了電流。大量的微孔協(xié)同工作,從而獲得了良好的摩擦發(fā)電效能。

  由于是3D打印一體成型,3DP-TENG可以根據(jù)需要方便地定制。研究團隊依人體工學(xué)打印了三維鞋墊,穿上步行時可以有效點亮LED燈和對電子表進行充電。而3D打印的“指環(huán)”狀器件則可以根據(jù)輸出的電信號,方便地監(jiān)控手指的彎曲,感知彎曲的頻率和角度。

  該工作還有一個突出的亮點是該3DP-TENG是一個全生命周期環(huán)境友好型的電子設(shè)備;w材料聚合物PGS由生物基的癸二酸和甘油縮聚而得,利用增材制造構(gòu)筑,原材料得到充分利用;PGS具有良好的生物降解性能,使用后可以完全降解為生物相容的癸二酸和甘油,CNTs則可以方便地回收再利用,性能保持不變。

  該項研究發(fā)展了一種新穎的策略,實現(xiàn)了摩擦納米發(fā)電機的3D打印一體成型?梢愿鶕(jù)需要打印各種形狀,在可穿戴設(shè)備上具有廣闊的應(yīng)用前景。

  東華大學(xué)材料學(xué)院博士生陳碩,博士后黃濤系共同第一作者,游正偉教授為通訊作者。該工作電學(xué)性能測試與俞昊教授團隊合作完成。同時得到了莫秀梅教授、吳琪琳教授、何創(chuàng)龍教授朱波教授的大力支持。該工作獲得了國家自然科學(xué)基金和上海市自然科學(xué)基金等項目資助。

  論文鏈接:http://dx.doi.org/10.1002/adfm.201805108

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