可发电的压电纸

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将柔性材料与传统压电材料相结合,实现其在受到大幅度弯曲或拉拽时产生压电电势,从而可以稳定高效地把环境中复杂多变的机械能转化为电能。纸是人类发明的一种重要材料,它以纤维素这种自然界最为丰富的聚合物材料为主要成分,具有柔性、质轻、环保、易加工、机械性能优良等优势,在许多领域都发挥着不可替代的作用。细菌纤维素是一种由醋酸杆菌合成的纤维素材料,它由高纯度的纳米纤维素组成,具有极佳的机械性能和生物相容性。

近日,北京科技大学的张跃教授课题组巧妙地利用细菌纤维素作为基体,填充以具有优异压电性能的钛酸钡纳米颗粒,设计出了一种具备压电性能的纸。利用这种压电纸构建的纳米发电机可产生约14 V的开路电压和190 nA/cm2的短路电流,足以驱动一块商用LCD显示屏。一方面,由于细菌纤维素具有纳米纤维网络结构,可以保证钛酸钡纳米颗粒均匀分布于压电纸中,解决了以往复合压电材料中因纳米颗粒堆积团聚造成的性能降低。另一方面,细菌纤维素具有较高的杨氏模量,能更有效地将外界力传导至钛酸钡纳米颗粒,有助于产生更大的压电电势。值得注意的是,这种发电纸的制备工艺非常简单,只需要将细菌纤维素和钛酸钡纳米颗粒机械分散到溶液中,然后通过一次抽滤即可得到厚度可调的均匀纸张。细菌纤维素和钛酸钡都是生物安全材料,因此这种压电纸十分环保并有望运用到可植入设备中,为小功率微纳器件持续提供电能,这对于未来自驱动电子设备的设计和应用具有重要意义。

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