上海微系统与信息技术研究所Nano Energy：利用喷涂技术大规模制备由丝素蛋白膜构成的摩擦纳米发电机

u2175908346 7年前 (2017-09-29) 4325浏览

【引言】

随着物联网技术的快速发展，越来越多的电子设备和传感器出现在我们周围。它们主要是由电池驱动，需要周期性的充电和更换。为了减少周期充电的需要，进而收集日常环境中的能量转化为电能，发展了自驱动设备。传统的收集技术：压电、热电和电磁感应效应被广泛的研究。自2012年中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士在这一领域取得重大突破，发明了基于摩擦起电效的摩擦纳米发电机（TENG）。由于它简单的结构、制作成本低廉等优势而受到广泛的研究。

过去对纳米发电机的研究主要关注于两个方面，一是发展现有的加工技术来设计具有合适表面形貌的摩擦层提高TENG的性能，例如等离子处理、光刻和旋涂等。但是这些技术无不受到固有缺陷限制，如尺寸不好控制，拓展性差和不能大规模生产等。二是发展有前景的人造或者自然材料构建TENG摩擦层，过去使用的材料有PDMS、Kapton、Teflon和蚕丝蛋白（SF）等。蚕丝蛋白由于在摩擦电序中具有强的失电子特性，因此被视为很好的摩擦层材料。但是蚕丝素蛋白膜的大面积制备一直是一个挑战。为此，研究人员利用简单的气压式喷涂设备在PET/ITO基底上沉积了一层不连续的岛状蚕丝素蛋白膜，作为摩擦层，进而构建了一种可以大规模生产的TENG。

【成果简介】

近日，上海微系统与信息技术研究所周晓峰副研究员和香港城市大学王钻开副教授（共同通讯作者）研究小组利用简单的喷涂技术在PET/ITO基底上沉积一层具有可再生、柔性、生物兼容性且透明的蚕丝素蛋白膜作为摩擦层，由此摩擦层构建了一种可大规模制备的TENG。制备的TENG输出电压达213.9V，输出功率达68mW/m2。该研究成果以“Toward large-scale fabrication of triboelectric nanogenerator (TENG) with silk-fibroin patches film via spray-coating process”为题发表在Nano Energy上。中国科学院上海微系统与信息研究所博士研究生刘超然为论文第一作者。论文合作单位包括中国科学院上海微系统与信息技术研究所、香港城市大学、浙江大学和华东师范大学。

【图文导读】

图1.TENG的制备和发电机理

  1. 丝素蛋白膜/PET/ITO TENG的制备过程；
  2. 丝素蛋白粉的照片；
  3. 丝素蛋白溶液；
  4. 喷涂制备的丝素蛋白膜/PET/ITO片，尺寸为30*36cm；
  5. 切成尺寸大小为4*6cm的丝素蛋白膜/PET/ITO片；
  6. TENG的发电机理过程。

图2.覆盖在PET/ITO上丝素蛋白膜表面特性表征

  1. 覆盖在PET/ITO上的丝素蛋白膜，在预干燥之前的光学图片，插图是丝素蛋白溶液在PET/ITO基底上的接触角，68.3〫；
  2. 固化后丝素蛋白/PET/ITO膜的光学照片；
  3. 固化后不同喷涂时间的丝素蛋白/PET/ITO膜扫描电镜照片。

图3. SF/PET/ITO的透过性

  1. PET/ITO、喷涂5s SF/PET/ITO、喷涂 10s SF/PET/ITO和喷涂15s SF/PET/ITO的照片；
  2. PET/ITO、喷涂5s SF/PET/ITO、喷涂 10s SF/PET/ITO和喷涂15s SF/PET/ITO的光学透过率。

图4.不同条件下发电机的电压输出

  1. 振动台测量系统的示意图；
  2. 振动台测量系统的实物图；
  3. 在施加频率为5Hz, 6.1N力下，SF分别喷涂5s、10s和15s的TENG开路电压；
  4. 在施加不同的力下，喷涂15s SF的TENG性能表征；
  5. 在施加不同频率下，喷涂15s SF的TENG性能表征；
  6. 发电机的输出电压和功率随负载电阻变化曲线；
  7. 喷涂15s SF的TENG在持续工作12000个周期后依然保持稳定；
  8. 喷涂15s SF的TENG在7天后，输出依然保持稳定。

图5. SF/PET/ITO TENG的应用测试

  1. TENG转换振动机械能给10μF电容充电；
  2. 在不同的振动频率下（1 Hz, 5 Hz 和 10 Hz），喷涂15s SF的TENG给10μF电容充电的电压曲线；
  3. TENG转换手指激发机械能，点亮100个LED；
  4. 单根手指单次敲击发电机产生的电容充电输出。

【小结】

研究人员通过简单的喷涂技术实现了TENG的大规模制备。这种廉价、低成本的技术使TENG更容易大规模生产。以SF/PET/ITO作为摩擦层的TENG，在手指的激发下可以迅速点亮100个LED。因此，这种简单的喷涂工艺可以实现高效率，大规模，高产量和低成本的TENG制造，为纳米发电机研究的实用化、商业化进程提供了新的技术思路。

文献链接：Toward large-scale fabrication of triboelectric nanogenerator (TENG) with silk-fibroin patches film via spray-coating process（Nano Energy, 2017, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.09.038）

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