2016年11月11日 星期五 09:15:33
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一种可用于收集水滴能量的疏水性纺织品

发表时间:2021/10/28

近年来,可穿戴技术得到快速发展,研究人员创造了各种多功能可穿戴设备,极大地丰富了人们的生活。为了收集可穿戴设备周围分布的机械能,人们已经得到了一些能量收集技术成果,如摩擦纳米发电机(TENGs)等。然而,TENGs中常用于水滴能量收集的聚合物薄膜具有透气性差、亲肤性差和疏水性不可修复等缺点,从而限制了其在可穿戴领域的进一步应用。因此,开发具有防水、透气、自我修复等多功能面料,实现人体运动能量和环境水滴能量的采集,对可穿戴电子产品的可持续供电具有重要意义。鉴于此,中国科学院北京纳米能源与系统研究所的研究人员开发了一种全织物TENG(F-TENG),其不仅具有良好的透气性和疏水性自修复性能,而且还显示出有效的能量转换效率。


F-TENG的特点


疏水织物的表面物质由SiO2纳米粒子、FDTS和PVDF-HFP组成,三种组分的共同作用使织物表现出良好的疏水性以及耐酸碱性,而且由于其玻璃化转变温度低,PVDF-HFP在加热条件下可以促进FDTS分子向表层移动,实现疏水自修复功能。制备的疏水织物具有自清洁能力,通过水滴可以很容易地将石墨粉从表面去除。此外,研究人员还测试了涂层织物和原织物的透气性。疏水织物的透气性高于普通商用牛仔织物。这些结果表明疏水性织物在可穿戴应用领域仍然具有良好的透气性和舒适性。


疏水织物的制备过程和表征


研究人员使用多功能疏水织物构建了用于水滴发电的F-TENG。当水滴从高处滴落时,水滴先滴在表面,然后在疏水表面扩散。在水滴与顶部电极接触之前,所有感应电荷将分布在底部电极上。一旦扩散的液滴与顶部电极接触,电子将从顶部电极转移到底部电极以平衡电位差,产生峰值电流信号。当铺展的水滴达到最大面积后,水滴开始收缩并从疏水表面滑落。由于水滴的扩散面积随着水滴的收缩而减小,底部电极会再次感应出相反的电荷,以平衡疏水表面的负电荷,并产生相反的峰值电流。实验结果表明,该疏水性织物具有较好的输出性能。


F-TENG的工作机制和优化


为证明F-TENG在水滴能量收集方面的良好性能,研究人员进行了一系列实验来模拟实际条件,以测试F-TENG的电学性能。F-TENG的最大输出功率远高于用于水滴能量收集的传统单电极模式TENG,实现了2.9%的总能量转换效率。在18000个循环加工后,F-TENG没有显著的输出电压波动,表明了其在水滴能量收集应用方面的长期稳定性。F-TENG用于为不同的商用电容器充电。0.47 μF电容可在40 s内充电至12 V。最后使用F-TENG点亮LED,发现一个水滴可以点亮25个LED,这表明F-TENG可以有效地收集水滴能量,为可穿戴设备提供能源保障,在未来有巨大的应用潜力。


F-TENG在水滴能量收集中的应用


相关工作以“A Hydrophobic Self-Repairing Power Textile for Effective Water Droplet Energy Harvesting”为题发表在《ACS Nano》上。


(来源:纺织导报官微)