我国开发基于摩擦电纳米发电机的多功能柔性可穿戴电子设备

4月7日，据Wiley网站消息，清华大学与北京化工大学研究团队合作采用墨水直写（Direct-ink-writing，DIW）3D打印和静电喷涂技术制备出一种双模式智能可穿戴电子设备。该设备具有自供能人体活动监测、能量供应、电磁波吸收、自修复、柔韧性、超疏水/油性等多种功能和特性,有望用于高质量人机交互、可穿戴医疗和电子皮肤。相关研究内容发表在《先进功能材料》期刊上。

摩擦电纳米发电机（TENG）能够将微弱机械能高效转化为电能，具有可持续、便携、通用、结构简单等特性，非常适于自供能可穿戴电子设备。然而，现有TENG性能和稳定性难以满足使用要求，其运行产生的电磁辐射导致可穿戴设备信号失真并影响人体健康，且TENG制备采用的传统DIW打印墨水流变和凝胶化特性不理想。这些问题都限制了TENG在自供能可穿戴电子设备上的应用。对此，研究团队将具有分层结构和定制缺陷的多维CoCNT（钴纳米粒子负载碳纳米管）和CoNirGO（钴镍还原氧化石墨烯复合材料）复合纳米填料，与Zn@2S-FSi（多氟化、动态锌离子配位交联梳状/瓶刷型聚硅氧烷）混合，最终形成 CoNiG@CoC-FSi 墨水，然后DIW打印出特定复杂几何结构的TENG。经测试，该TENG展现出卓越的摩擦电输出性能（开路电压185.4伏，短路电流1576.2 纳安，功率密度729.8毫瓦每平方米）和稳定性。此外，采用静电喷涂技术在棉织物表面改性制备的TENG可穿戴电子设备（F-TENG）展现出优异的电磁保护性能（最小反射损耗-64.81分贝，宽频吸收特性5.1吉赫兹），同时还具有超疏水（水接触角153°）、超疏油（油接触角146°）和自修复（效率82.4%）特性，显著提高了设备的可靠性和使用寿命。