广西大学Nano letters：由植物模板拓扑互锁结构和肖特基结实现的耐用、高输出、可编织的自供电压力传感器

01研究背景

近年来，兼具轻便性与灵活性的可穿戴电子器件在医疗健康监测、健身管理及极端环境感知等前沿领域展现出巨大应用潜力，引发广泛关注。然而，频繁的充电需求成为制约其应用的瓶颈。摩擦电纳米发电机（TENG）作为一种新兴的自供电能量转换装置，凭借结构设计简洁、原材料来源广泛等显著优势，有望成为可穿戴设备供能的重要潜在解决方案。其中，纤维状摩擦电纳米发电机（F-TENG）以其卓越的柔韧性和穿戴舒适性，在可穿戴传感系统构建及人机交互技术开发中具有突出的应用价值。值得注意的是，在人体大幅度运动过程中，可穿戴电子器件的动态变形会加剧介电层与电极之间的界面失配效应，进而导致器件电性能显著衰减与机械耐久性降低。因此，在提高F-TENG的电输出性能的同时，维持器件在运动过程中性能稳定且不受损坏是一项重大挑战。

02文章概述

近日，广西大学梁东武和段青山课题组联合开发了一种以灯芯草纤维为模板的可拉伸、可编织的纤维状摩擦电材料。由该材料组成的纤维状摩擦纳米发电机（FP-TENG）在接触-分离模式下实现了46V的输出电压，输出功率较纯PDMS纤维状TENG提升了5倍；经历10000次接触分离循环，100次拉伸循环及5次水洗循环后的电输出依旧保持稳定。这项成果以题为《Durable, High-Output, Weavable Self-Powered Pressure Sensors Enabled by Plant-Templated Topological Interlocking Structure and Schottky Junction》发表在近期《Nano Letters》期刊上，梁东武副研究员和2022级硕士研究生谢雨欣为本研究的共同第一作者，段青山副教授为通讯作者，孙磊、罗懿、何娟霞、彭伟卿、章志君、倪博文、黄彦博和石嘉仪参与研究。

03图文导读

1.纤维状摩擦电材料的设计策略

该纤维状摩擦电材料采用三步法制备。首先，对具有天然三维网状多孔结构的灯芯草进行碱处理，以提升其表面的亲水性；碱处理后的灯芯草纤维内部框架的表面产生皱缩，为填料的原位生长提供了丰富的活性位点。接着，在该纤维模板内部原位生长AgNPs和PPy复合纳米颗粒，得到柔性纤维状电极（PAJ）；电极内部的PPy与AgNPs界面间形成肖特基结，可以实现定向电荷转移，利于材料界面间的电荷积累效应。最后，将PDMS注入到装有PAJ的管状模具中封装，得到可拉伸、可编织的纤维状摩擦电材料（PPAJ）；其中，PDMS与PAJ内部形成拓扑互锁结构。

图 1. 纤维状摩擦电材料PPAJ的制备，结构及应用示意图

2.摩擦电材料的表征

通过SEM、FTIR和XRD分析了柔性电极PAJ和纤维状摩擦电材料PPAJ的组成和结构。结果表明，PPy/AgNPs复合纳米颗粒在灯芯草模板上成功均匀负载。需要注意的是，PAJ的XPS中N1s特征峰结合能正向偏移，且I-V曲线呈现非线性与整流特性，二者共同证实了PPy与AgNPs之间肖特基结的存在。

PDMS和PAJ之间的拓扑互锁结构使PPAJ表现出优异的拉伸能力（142%）和机械强度（1.55MPa）。互锁结构可消散界面应力，从而减轻局部应力集中现象。在对纤维施加拉伸或压缩载荷的过程中，这种结构有效抑制了PDMS（介电层）和PAJ（电极）之间的分层，即使在大应变条件下也能保持复合材料的机械连续性，防止循环加载过程中界面分层失效，解决了介电层和电极之间机械失配的问题。

图2 基于灯芯草的纤维状电极和摩擦电材料的结构和性能表征

3.摩擦电材料的摩擦电性能

本研究以尼龙和PPAJ分别作为正、负摩擦电材料，成功构筑接触-分离式摩擦纳米发电机（FP-TENG）。研究发现，当Py与AgNO3摩尔比为1:0.5时，FP-TENG展现出最优的电输出性能。这一现象归因于PAJ内部相邻的导电骨架与绝缘PDMS形成大量微电容器结构，从而显著提升介电界面的电荷密度。DFT计算结果表明，PPy与AgNPs界面发生显著的电子重新分布，电子由PPy向AgNPs定向转移，该过程有效促进了介电界面的电荷迁移与积累。此外，介电层与电极之间的拓扑互锁结构大幅增加了界面接触面积，而肖特基结的存在进一步提升了材料表面电荷密度。多重机制的共同作用最终实现了FP-TENG输出功率与稳定性的显著增强。

图3 接触-分离式FP-TENG的摩擦电性能

4.纤维状摩擦电材料的压力传感性能和用作人体运动监测功能

PPAJ作为可穿戴自供电压力传感器的应用场景如下图所示。该传感器在低压水平（<0.2 N）展现出了5.39 N-1的高灵敏度。在较大的拉伸（如手指和手部运动）和微弱人体信号（如面部表情和脉搏）监测过程中，PPAJ均展示了稳定的压力响应性。

图4 可穿戴PPAJ实现压力传感与人体运动监测双功能

5.集成于纺织品中的应用演示

具有优异柔韧性的PPAJ可通过不同编织方法集成到可穿戴纺织品中，用作柔性压力传感器。其中，通过平纹编织的织物基TENG（T-TENG）的最高输出电压可达190 V。在模拟人体正常运动及突然撞击时的压力状况时，T-TENG可借助无线蓝牙触发报警信号，展现出作为自供电户外救援传感器的应用潜力。此外，将物体放置到由6根PPAJ纤维组成阵列传感器上后，可通过电压的输出信号实现物体识别和压力定位的功能。

图5 T-TENG用于户外报警和压力识别的阵列传感器设计

04结论

本研究成功制备了一种具有优异的柔性、可拉伸性、可编织性和耐洗性的集成纤维状摩擦电材料。其拓扑互锁结构使之能够承受142%的拉伸应变，并在10000次工作循环后能保持稳定输出。同时，在PPy和AgNP界面的肖特基结促进了电子转移，提高了电荷密度，显著提高了FP-TENG的输出性能。这种组合效应有助于实现FP-TENG的高效稳定的电输出。此外，PPAJ具有出色的压力灵敏度，能够作为自供电压力传感器使用，且能监测微弱的人体运动信号。由于具有可编织性，PPAJ可以集成到日常纺织品中组成户外报警传感器和阵列传感器。该基于天然植物模板的纤维集成摩擦电材料的设计策略为制造高性能摩擦电材料提供了一种新方法，为开发智能可穿戴设备和能量收集技术提供了参考。

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c00331

来源：高分子科学前沿

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