Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Máy phát điện nano triboelectric dựa trên ionogel có khả năng co giãn cao, dẫn điện và hoạt động ở nhiệt độ rộng
Tóm tắt
Sự phát triển nhanh chóng của các sản phẩm điện tử đeo trên người mang đến những thách thức đối với nguồn cung cấp năng lượng tương ứng. Trong nghiên cứu này, một máy phát điện nano triboelectric dựa trên ionogel (SI-TENG) ổn định về nhiệt và có khả năng co giãn được đề xuất để thu thập năng lượng sinh học. Độ dẫn điện ion của ionogel đã tăng lên tới 0.53 S·m−1 thông qua việc điều chỉnh tối ưu lượng polyamid nhánh cực (NH2-HBP), cùng với độ biến dạng cao lên đến 812%, khả năng phục hồi co giãn tuyệt vời, và dải nhiệt độ hoạt động rộng từ −80 đến 250 °C. SI-TENG với ionogel này làm điện cực và cao su silicone vừa là lớp triboelectric vừa là lớp bao bọc cho thấy sự ổn định nhiệt độ cao, khả năng co giãn và khả năng giặt rửa tốt. Bằng cách thêm một lượng hợp lý nano SiO2 vào lớp triboelectric, hiệu suất đầu ra được cải thiện thêm 93%. Hoạt động ở chế độ điện cực đơn với tần số 1.5 Hz, đầu ra của một SI-TENG có diện tích 3 cm × 3 cm lần lượt là 247 V, 11.7 µA, 78 nC và 3.2 W·m−2. Nó được sử dụng làm nguồn cung cấp năng lượng tự sạc để nạp một tụ điện 22 µF lên 1.6 V trong 167 giây bằng cách vỗ tay và sau đó cấp điện cho máy tính điện tử. Hơn nữa, SI-TENG cũng có thể được sử dụng như một cảm biến chuyển động tự cấp nguồn để phát hiện biên độ và tần số của các chuyển động như gập ngón tay, nuốt, gật đầu và lắc đầu thông qua phân tích điện áp đầu ra.
Từ khóa
#máy phát điện nano triboelectric #ionogel #năng lượng sinh học #co giãn #độ dẫn điện #cảm biến chuyển độngTài liệu tham khảo
Tee, B. C. K.; Wang, C.; Allen, R.; Bao, Z. N. An electrically and mechanically self-healing composite with pressure- and flexion-sensitive properties for electronic skin applications. Nat. Nanotechnol. 2012, 7, 825–832.
Gao, W.; Emaminejad, S.; Nyein, H. Y. Y.; Challa, S.; Chen, K.; Peck, A.; Fahad, H. M.; Ota, H.; Shiraki, H.; Kiriya, D. et al. Fully integrated wearable sensor arrays for multiplexed in situ perspiration analysis. Nature 2016, 529, 509–514.
Zhou, L. S.; Wanga, A.; Wu, S. C.; Sun, J.; Park, S.; Jackson, T. N. All-organic active matrix flexible display. Appl. Phys. Lett. 2006, 88, 083502.
Chortos, A.; Liu, J.; Bao, Z. A. Pursuing prosthetic electronic skin. Nat. Mater. 2016, 15, 937–950.
Lai, Y. C.; Deng, J. N.; Niu, S. M.; Peng, W. B.; Wu, C. S.; Liu, R. Y.; Wen, Z.; Wang, Z. L. Electric eel-skin-inspired mechanically durable and super-stretchable nanogenerator for deformable power source and fully autonomous conformable electronic-skin applications. Adv. Mater. 2016, 28, 10024–10032.
Wang, S. H.; Xu, J.; Wang, W. C.; Wang, G. J. N.; Rastak, R.; Molina-Lopez, F.; Chung, J. W.; Niu, S. M.; Feig, V. R.; Lopez, J. et al. Skin electronics from scalable fabrication of an intrinsically stretchable transistor array. Nature 2018, 555, 83–88.
Zeng, W.; Shu, L.; Li, Q.; Chen, S.; Wang, F.; Tao, X. M. Fiber-based wearable electronics: A review of materials, fabrication, devices, and applications. Adv. Mater. 2014, 26, 5310–5336.
Wang, Z. L. Self-powered nanosensors and nanosystems. Adv. Mater. 2012, 24, 280–285.
Lai, Y. C.; Wu, H. M.; Lin, H. C.; Chang, C. L.; Chou, H. H.; Hsiao, Y. C.; Wu, Y. C. Entirely, intrinsically, and autonomously self-healable, highly transparent, and superstretchable triboelectric nanogenerator for personal power sources and self-powered electronic skins. Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1904626.
Zou, H. Y.; Zhang, Y.; Guo, L. T.; Wang, P. H.; He, X.; Dai, G. Z.; Zheng, H. W.; Chen, C. Y.; Wang, A. C.; Xu, C. et al. Quantifying the triboelectric series. Nat. Commun. 2019, 10, 1427.
Shi, J. H.; Chen, X. P.; Li, G. F.; Sun, N.; Jiang, H. X.; Bao, D. Q.; Xie, L. J.; Peng, M. F.; Liu, Y. N.; Wen, Z. et al. A liquid PEDOT: PSS electrode-based stretchable triboelectric nanogenerator for a portable self-charging power source. Nanoscale 2019, 11, 7513–7519.
Zhao, G. R.; Zhang, Y. W.; Shi, N.; Liu, Z. R.; Zhang, X. D.; Wu, M. Q.; Pan, C. F.; Liu, H. L.; Li, L. L.; Wang, Z. L. Transparent and stretchable triboelectric nanogenerator for self-powered tactile sensing. Nano Energy 2019, 59, 302–310.
Chen, Y. H.; Pu, X.; Liu, M. M.; Kuang, S. Y.; Zhang, P. P.; Hua, Q. L.; Cong, Z. F.; Guo, W. B.; Hu, W. G.; Wang, Z. L. Shape-adaptive, self-healable triboelectric nanogenerator with enhanced performances by soft solid–solid contact electrification. ACS Nano 2019, 13, 8936–8945.
Li, X. J.; Jiang, C. M.; Zhao, F. N.; Lan, L. Y.; Yao, Y.; Yu, Y. H.; Ping, J. F.; Ying, Y. B. Fully stretchable triboelectric nanogenerator for energy harvesting and self-powered sensing. Nano Energy 2019, 61, 78–85.
Chen, X. X.; Song, Y.; Chen, H. T.; Zhang, J. X.; Zhang, H. X. An ultrathin stretchable triboelectric nanogenerator with coplanar electrode for energy harvesting and gesture sensing. J. Mater. Chem. A 2017, 5, 12361–12368.
Bao, D. Q.; Wen, Z.; Shi, J. H.; Xie, L. J.; Jiang, H. X.; Jiang, J. X.; Yang, Y. Q.; Liao, W. Q.; Sun, X. H. An anti-freezing hydrogel based stretchable triboelectric nanogenerator for biomechanical energy harvesting at sub-zero temperature. J. Mater. Chem. A 2020, 8, 13787–13794.
Jing, X.; Li, H.; Mi, H. Y.; Feng, P. Y.; Tao, X. M.; Liu, Y. J.; Liu, C. T.; Shen, C. Y. Enhancing the performance of a stretchable and transparent triboelectric nanogenerator by optimizing the hydrogel ionic electrode property. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 23474–23483.
Guan, Q. B.; Lin, G. H.; Gong, Y. Z.; Wang, J. F.; Tan, W. Y.; Bao, D. Q.; Liu, Y. N.; You, Z. W.; Sun, X. H.; Wen, Z. et al. Highly efficient self-healable and dual responsive hydrogel-based deformable triboelectric nanogenerators for wearable electronics. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 13948–13955.
Ding, Y.; Zhang, J. J.; Chang, L.; Zhang, X. Q.; Liu, H. L.; Jiang, L. Preparation of high-performance ionogels with excellent transparency, good mechanical strength, and high conductivity. Adv. Mater. 2017, 29, 1704253.
Chen, S. P.; Zhang, N. X.; Zhang, B. H.; Zhang, B.; Song, J. Multifunctional self-healing ionogels from supramolecular assembly: Smart conductive and remarkable lubricating materials. ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 44706–44715.
Kamio, E.; Yasui, T.; Iida, Y.; Gong, J. P.; Matsuyama, H. Inorganic/organic double-network gels containing ionic liquids. Adv. Mater. 2017, 29, 1704118.
Cao, Y.; Morrissey, T. G.; Acome, E.; Allec, S. I.; Wong, B. M.; Keplinger, C.; Wang, C. A transparent, self-healing, highly stretchable ionic conductor. Adv. Mater. 2017, 29, 1605099.
Gao, Y. Y.; Guo, J. J.; Chen, J.; Yang, G. X.; Shi, L.; Lu, S. Y.; Wu, H.; Mao, H.; Da, X. Y.; Gao, G. X. et al. Highly conductive organic-ionogels with excellent hydrophobicity and flame resistance. Chem. Eng. J. 2022, 427, 131057.
Gao, Y. Y.; Shi, L.; Lu, S. Y.; Zhu, T. X.; Da, X. Y.; Li, Y. H.; Bu, H. T.; Gao, G. X.; Ding, S. J. Highly stretchable organogel ionic conductors with extreme-temperature tolerance. Chem. Mater. 2019, 31, 3257–3264.
Chen, X. P.; Liu, Y. N.; Sun, Y.; Zhao, T. S.; Zhao, C.; Khattab, T. A.; Lim, E. G.; Sun, X. H.; Wen, Z. Electron trapping & blocking effect enabled by MXene/TiO2 intermediate layer for charge regulation of triboelectric nanogenerators. Nano Energy 2022, 98, 107236.
Chikh, L.; Arnaud, X.; Guillermain, C.; Tessier, M.; Fradet, A. Cyclizations in hyperbranched aliphatic polyesters and polyamides. Macromol. Symp. 2003, 199, 209–222.
Ren, L. F.; Zhao, G. H.; Qiang, T. T.; Wang, X. C.; Wang, N. Synthesis of amino-terminated hyperbranched polymers and their application in microfiber synthetic leather base dyeing. Text. Res. J. 2013, 83, 381–395.
Lei, H.; Cao, K. L.; Chen, Y. F.; Liang, Z. Q.; Wen, Z.; Jiang, L.; Sun, X. H. 3D-printed endoplasmic reticulum rGO microstructure based self-powered triboelectric pressure sensor. Chem. Eng. J. 2022, 445, 136821.
Wang, A. L.; Xu, H.; Zhou, Q.; Liu, X.; Li, Z. Y.; Gao, R.; Wu, N.; Guo, Y. G.; Li, H. Y.; Zhang, L. Y. A new all-solid-state hyperbranched star polymer electrolyte for lithium ion batteries: Synthesis and electrochemical properties. Electrochim. Acta 2016, 212, 372–379.
Lim, H. R.; Kim, H. S.; Qazi, R.; Kwon, Y. T.; Jeong, J. W.; Yeo, W. H. Advanced soft materials, sensor integrations, and applications of wearable flexible hybrid electronics in healthcare, energy, and environment. Adv. Mater. 2020, 32, 1901924.
Niu, L.; Miao, X. H.; Li, Y. T.; Xie, X. K.; Wen, Z.; Jiang, G. M. Surface morphology analysis of knit structure-based triboelectric nanogenerator for enhancing the transfer charge. Nanoscale Res. Lett. 2020, 15, 1–12.
Bai, Y. K.; Zhang, J. W.; Wen, D. D.; Yuan, B.; Gong, P. W.; Liu, J. M.; Chen, X. Fabrication of remote controllable devices with multistage responsiveness based on a NIR light-induced shape memory ionomer containing various bridge ions. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 20723–20732.
Zhang, L. M.; He, Y.; Cheng, S. B.; Sheng, H.; Dai, K. R.; Zheng, W. J.; Wang, M. X.; Chen, Z. S.; Chen, Y. M.; Suo, Z. G. Self-healing, adhesive, and highly stretchable ionogel as a strain sensor for extremely large deformation. Small 2019, 15, 1804651.
Li, R. J.; Fang, Z.; Wang, C.; Zhu, X. L.; Fu, X. L.; Fu, J. J.; Yan, W. W.; Yang, Y. Six-armed and dicationic polymeric ionic liquid for highly stretchable, nonflammable, and notch-insensitive intrinsic selfhealing solid-state polymer electrolyte for flexible and safe lithium batteries. Chem. Eng. J. 2022, 430, 132706.
Huang, J. F.; Luo, H. M.; Liang, C. D.; Sun, I. W.; Baker, G. A.; Dai, S. Hydrophobic brønsted acid–base ionic liquids based on PAMAM dendrimers with high proton conductivity and blue photoluminescence. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 12784–12785.
Chen, H.; Liu, Y. L.; Ren, B. P.; Zhang, Y. X.; Ma, J.; Xu, L. J.; Chen, Q.; Zheng, J. Super bulk and interfacial toughness of physically crosslinked double-network hydrogels. Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1703086.
Zhang, Z.; Gao, Z. L.; Wang, Y. T.; Guo, L. X.; Yin, C. H.; Zhang, X. L.; Hao, J. C.; Zhang, G. M.; Chen, L. S. Eco-friendly, self-healing hydrogels for adhesive and elastic strain sensors, circuit repairing, and flexible electronic devices. Macromolecules 2019, 52, 2531–2541.
Hong, X. Y.; Tyson, J. C.; Middlecoff, J. S.; Collard, D. M. Synthesis and oxidative polymerization of semifluoroalkyl-substituted thiophenes. Macromolecules 1999, 32, 4232–4239.
Qu, M. N.; Liu, S. S.; He, J. M.; Feng, J.; Yao, Y. L.; Hou, L. G.; Ma, X. R.; Liu, X. R. Fabrication of recyclable superhydrophobic materials with self-cleaning and mechanically durable properties on various substrates by quartz sand and polyvinylchloride. RSC Adv. 2016, 6, 79238–79244.
Günther, P.; Xia, Z. F. Transport of detrapped charges in thermally wet grown SiO2 electrets. J. Appl. Phys. 1993, 74, 7269–7274.
Shao, Y.; Feng, C. P.; Deng, B. W.; Yin, B.; Yang, M. B. Facile method to enhance output performance of bacterial cellulose nanofiber based triboelectric nanogenerator by controlling micronano structure and dielectric constant. Nano Energy 2019, 62, 620–627.
Sun, L. J.; Chen, S.; Guo, Y. F.; Song, J. C.; Zhang, L. Z.; Xiao, L. J.; Guan, Q. B.; You, Z. W. Ionogel-based, highly stretchable, transparent, durable triboelectric nanogenerators for energy harvesting and motion sensing over a wide temperature range. Nano Energy 2019, 63, 103847.
Zhang, P. P.; Chen, Y. H.; Guo, Z. H.; Guo, W. B.; Pu, X.; Wang, Z. L. Stretchable, transparent, and thermally stable triboelectric nanogenerators based on solvent-free ion-conducting elastomer electrodes. Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1909252.