用于制造可穿戴摩擦纳米发电机 (TENG) 以获取人体机械能的电子纤维已得到了广泛的研究。然而，很少有人关注它们在环境友好性、机械性能和稳定性方面的共同优势。近日，华中科技大学杨光教授团队与北京纳米能源所王中林院士、孙其君研究员团队以可再生的细菌纤维素(BC)为基材制备了可生物降解、超强机械强度及可水洗的导电纤维，并进一步利用该纤维构建了织物基摩擦纳米发电机(TENG)。该织物基TENG可以有效地捕获机械动能驱动手表、计算器和温度湿度计等商业电子设备的运行，并且作为自供电传感器可以对人体的多种肢体动作进行实时的监测。研究表明了纤维素基纤维在设计能量收集和生物力学监测的环保织物 TENG 方面具有潜在的应用价值。该研究成果发表于权威期刊《Nano-Micro Letters》上，题为“Biodegradable, Super-Strong, and Conductive Cellulose Macrofibers for Fabric-Based Triboelectric Nanogenerator”
图1. 纤维素基导电纤维线用于构造织物基TENG及其应用示意图
该纤维线是利用BC的三维网络结构掺杂合成导电物质导电碳纳米管 (CNT) 和聚吡咯 (PPy)后通过拉伸和湿捻的方法制备得到。制备的纤维素基导电纤维线具有449 MPa 的高拉伸强度(能够提拉 2 Kg的重量)、良好的导电性(~5.32 S/cm)和优异的稳定性(浸入水中1天拉伸强度和导电率仅下降 6.7% 和 8.1%)。降解实验表明，纤维线在纤维素酶的作用下108小时内可以完成降解。应用方面，由纤维素基导电纤维线设计制备的织物基TENG的最大开路电压为170 V，短路电流为0.8 µA，输出功率为 352 µW，能够有效为电容器充电并驱动商业电子设备的运行。另外，织物基TENG可以附着在人体衣物上，作为自供电传感器有效监测人体多状态运动。
图2. (a) 纯BC、BC/CNT及BC/CNT/PPy纤维线的制备示意图； (b-d) 纯BC、BC/CNT及BC/CNT/PPy纤维线的光学图片。
图3. 纯 BC、BC/CNT、BC/CNT/PPy纤维线的 SEM 图像：(a) BC、(b) BC/CNT、(c) BC/CNT/PPy纤维线的表面SEM图；(d, g) BC纤维线的截面SEM图；(e, h) BC/CNT纤维截面SEM图；(f, i, l) BC/CNT/PPy纤维截面SEM图；(j) BC/CNT/PPy 纤维线缠结后SEM图和 (k) 表面图。
图4. (a-d) BC、BC/CNT、BC/CNT/PPy纤维的XPS图谱；(c) BC、BC/CNT、BC/CNT/PPy纤维、PPy 和 CNT 的 XRD 图谱；(e) BC、BC/CNT、BC/CNT/PPy 纤维和 PPy 的 FT-IR 光谱；(f) BC/CNT/PPy 粗纤维提拉2公斤重量图片；BC、BC/CNT、BC/CNT/PPy 和 iBC/CNT/PPy纤维的 (g) 应力-应变曲线， (h)拉伸强度及杨氏模量；(i) BC、BC/CNT、BC/CNT/PPy 和 iBC/CNT/PPy纤维的电导率；(j) BC/CNT/PPy纤维作为导电线连接电源时点亮 LED；BC、BC/CNT和BC/CNT/PPy纤维的吸水率(k)和失水率(l)。
图5. BC和BC/CNT/PPy粗纤维在纤维素酶溶液中的降解实验。降解过程中纤维线的光学图片，(a) 纯BC纤维线，(b) BC/CNT/PPy导电纤维线；纤维降解过程中的SEM图像，(c) 纯BC纤维线和 (d) BC/CNT/PPy导电纤维线；(e) 纯BC纤维线 和 BC/CNT/PPy导电纤维线在降解过程中的重量损失率及 (f)降解过程中纤维素酶溶液中总糖含量变化。
图6. (a)织物基TENG结构示意图；(b)织物基TENG两种工作模式，(ⅰ)接触分离模式和(ⅱ)单电极模式，织物基TENG 的电输出性能和自充电演示；(c)短路电流，(d)开路电压和(e)织物基TENG在各种频率下的转移电荷；(f) 瞬时功率作为外部负载电阻的函数；(g) 织物基TENG在1Hz频率不同冲击力下的输出电压；(h)不同湿度下织物基TENG的输出电压；(i) 织物基TENG洗涤前后的输出电压；(j) 在1 Hz的接触分离频率下，织物基TENG在1000秒内的输出电压；(k) 织物基TENG在100次机械变形循环下的输出电压。
图7. 基于织物的TENG的应用研究。(a) 织物基TENG充电电容器和供电电子设备示意图；(b)机械加载时织物基TENG对商用电容器的充电曲线；(c)手表供电时电容器电压实时测试；TENG驱动(d) 手表、(e) 温度湿度计和 (f) 计算器的运行；(g) 测试织物基TENG作为自供电传感器的照片和输出电压信号，该传感器固定在人体各个部位(脚跟、躯干侧面、肘部和敏锐关节)以监测机械运动、(ⅰ)步行、(ⅱ) ) 跑步，(ⅲ) 跳跃，(ⅳ) 举臂，(ⅴ) 手臂弯曲和 (ⅵ) 抬腿。
该工作由华中科技大学杨光教授团队与北京纳米能源所王中林院士、孙其君研究员团队共同合作完成。论文共同第一作者为华中科技大学博士生胡三明，北京纳米能源与系统研究所博士生韩婧、华中科技大学石志军博士。华中科技大学杨光教授、北京纳米能源与系统研究所王中林院士和孙其君研究员为该文章的共同通讯作者。
该工作得到了金砖国家科技创新框架计划（3rd call 2019）、国家重点研发计划（批准号 2018YFE0123700）、国家自然科学基金（批准号 51973076 和 52073031）、国家纺织新材料与先进加工技术重点实验室（批准号：FZ2021005）和中央高校基本科研业务费专项资金（批准号：2020kfyXJJS035、WUT2018IVB006、Z191100001119047）等的支持。
论文链接：http://doi.org/10.1007/s40820-022-00858-w
论文引用：Sanming Hu, Jing Han, Zhijun Shi, Kun Chen, Nuo Xu, Yifei Wang, Ruizhu Zheng, Yongzhen Tao, Qijun Sun, Zhong Lin Wang, Guang Yang. Biodegradable, Super-Strong, and Conductive Cellulose Macrofibers for Fabric-Based Triboelectric Nanogenerator. Nano-Micro Letters, (2022) 14:115.