用于自驱动能源及人体运动传感的环境友好型柔性水凝胶基器件

aenm-haojianhua伴随着传统石化能源的日益枯竭,新能源与可再生能源的开发与利用得到广泛重视。摩擦纳米发电机作为新型的能源收集方式以其独特的优势正获得越来越多的关注。通过材料间的摩擦起电和静电感应效应,摩擦纳米发电机能够将环境中的机械能转化为电能。相较于其它能量转化技术,摩擦纳米发电机具备结构简单、成本低廉、制备材料多样性以及目标能源广泛等优点。然而,随着未来摩擦纳米发电机在电子领域的进一步普及,由此产生的电子废弃物将不可避免地导致环境问题。因此,发展环境友好的摩擦纳米发电机显得尤为重要。

近期,香港理工大学郝建华教授研究组提出的新型水凝胶基摩擦纳米发电机有望解决以上问题。该研究以物理交联的聚乙烯醇水凝胶作为基材,结合该材料优异的柔韧性、弹性、可降解性、生物相容性以及安全无毒等性能,使得所制得的水凝胶基摩擦纳米发电机能同时具备柔性和环境友好性,因而在柔性电子和绿色电子等领域具有巨大的应用潜力。该研究制备出的水凝胶基摩擦纳米发电机能产生200 V的开路电压以及22.5 μA 的短路电流。当负载电阻为10 MΩ时,标准器件的最大输出功率可达到2 mW。相应的管状器件具有优异的柔韧性,可应用于收集多种人体运动机械能,如弯曲,扭转和伸缩运动机械能的收集。同时,通过分析输出电压信号的峰强度和峰间距,所制备的管状器件还可作为自驱动传感器应用于人体运动监测。此外,该研究中使用的聚乙烯醇水凝胶具有可逆交联结构,因而使该摩擦纳米发电机显示出优异的可循环功能。循环后的水凝胶基摩擦纳米发电机的开路电压可达到初始开路电压的92 %,从而既延长了该摩擦纳米发电机的使用周期也相应的减少了废弃物的产生,进一步提升了该器件的环境友好性能。

本研究从环保角度出发,探索了发展柔性能量源及自驱动运动传感器的可行性,对未来摩擦纳米发电机在相关领域的规模化应用起到了积极的推动作用。相关论文在线发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201601529)上。