環(huán)境耗散能，例如農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中巨大的機(jī)械能(如葉片擺動(dòng)能)和我們?nèi)粘Ｉ钪袕V泛存在的書(shū)寫(xiě)運(yùn)動(dòng)，都未得到充分利用。在此，為了解決這些問(wèn)題并克服傳統(tǒng)電池的局限性，我們制作了一種高度靈活且有效的摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)，該電機(jī)由基于MXene的聚二甲基硅氧烷(PDMS)復(fù)合材料(PDMS/MXene)膜和激光誘導(dǎo)石墨烯(LIG)電極所組成。將導(dǎo)電負(fù)電的MXene引入PDMS中制備多孔膜，不僅提高了膜的導(dǎo)電性，而且增大了膜的摩擦電負(fù)性。結(jié)果表明，輸出性能顯著提高，比基于單純平板式的PDMSTENG高出7倍。研制出的TENG性能優(yōu)良、附著力強(qiáng)、柔韌性好，已成功地用于收集葉片擺動(dòng)能量，并用作書(shū)寫(xiě)板來(lái)收集書(shū)寫(xiě)能量。此外，我們開(kāi)發(fā)了基于MXene的TENG陣列，該陣列可用作手寫(xiě)識(shí)別的自供電傳感器。在這方面，啟用MXene的TENG在從農(nóng)業(yè)領(lǐng)域(如葉片擺動(dòng)能量)和人類(lèi)活動(dòng)(如寫(xiě)作)中收集機(jī)械能方面具有巨大潛力，而且它還可以進(jìn)一步應(yīng)用于pad、機(jī)器人和人機(jī)交互領(lǐng)域的寫(xiě)作或觸覺(jué)傳感。
Fig. 1. 基于多孔PDMS/MXene復(fù)合膜和LIG電極的柔性TENG的制備工藝示意圖。
Fig. 2. 多孔PDMS/MXene復(fù)合膜和LIG電極的照片。(a)印有標(biāo)志紙張上的PDMS/MXene復(fù)合膜具有相當(dāng)大的透明度，可以附著在(b)人的皮膚及(c)植物葉子上。(d) PDMS/MXene復(fù)合膜的拉伸性能。(e)LIG蝴蝶和花朵的圖案。(f) PDMS/MXene復(fù)合膜附著在LIG電極上的照片。
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Fig. 3. (a-e) TENG裝置的工作原理及正負(fù)電荷的流動(dòng)。(f)基于有限元法的仿真(COMSOL Multiphysics)驗(yàn)證了TENG的工作機(jī)理。
Fig. 4. 當(dāng)工作頻率為10 Hz時(shí)，TENG的(a)輸出電壓和(b)電流與所施加的力的關(guān)系。當(dāng)受到10 N的垂直力時(shí)，TENG的(c)輸出電壓和(d)電流與各種觸點(diǎn)分離頻率的關(guān)系。
Fig. 5. (a)垂直分離力為10 N，觸點(diǎn)分離頻率為10 Hz時(shí)，產(chǎn)生的輸出電壓和電流隨負(fù)載電阻的變化。(b)瞬時(shí)輸出功率密度與負(fù)載電阻的關(guān)系。(c) TENG通過(guò)橋式整流器對(duì)22 μF電容器的充電曲線。(d)TENG的穩(wěn)定性測(cè)試。
Fig. 6. (a)裝置結(jié)構(gòu)示意圖和(b)葉片擺動(dòng)能量采集工作原理示意圖，由接觸帶電與靜電感應(yīng)耦合作用產(chǎn)生。(c)附著在以單電極模式工作的植物葉片上TENG的照片，以收集葉片擺動(dòng)能量。(d)不同風(fēng)速下TENG的輸出電壓信號(hào)。
Fig. 7. (a)裝置結(jié)構(gòu)示意圖和(b)人類(lèi)書(shū)寫(xiě)過(guò)程的工作原理示意圖。(c)充當(dāng)書(shū)寫(xiě)板的TENG的照片，用于從書(shū)寫(xiě)運(yùn)動(dòng)中獲取能量。(d)寫(xiě)入動(dòng)作的輸出電壓信號(hào)。
Fig. 8.用于書(shū)寫(xiě)識(shí)別的摩擦電傳感器陣列的設(shè)計(jì)。(a)測(cè)量電壓信號(hào)。(b)相應(yīng)的寫(xiě)作模式。(c)書(shū)寫(xiě)過(guò)程的光學(xué)圖像。
相關(guān)研究成果于2019年由浙江大學(xué)Jianfeng Ping 課題組，發(fā)表在Nano Energy (
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104121)上。原文：A multifunctional and highly flexible triboelectric nanogenerator based on MXene-enabled porous film integrated with laser-induced graphene electrode
