摘要：在人工智能和物联网（IoT）的进步推动下，以可穿戴智能电子产品激增为特征的当代格局中，解决自然资源有限可用性和石油资源过度开采导致的环境退化等挑战的优先事项变得越来越关键。摩擦电纳米发电机（TENG）的出现因其轻质结构、简单制造工艺、广泛的材料选择和低频多功能

第一作者：Qian Wang

通讯作者：Bingang Xu

通讯单位：香港理工大学

DOI: 10.1016/j.nanoen.2024.110620

在人工智能和物联网（IoT）的进步推动下，以可穿戴智能电子产品激增为特征的当代格局中，解决自然资源有限可用性和石油资源过度开采导致的环境退化等挑战的优先事项变得越来越关键。摩擦电纳米发电机（TENG）的出现因其轻质结构、简单制造工艺、广泛的材料选择和低频多功能能量转换能力等优点而引起了广泛关注。基于摩擦带电和静电感应的耦合效应原理，TENG包括四种工作模式，包括接触分离模式、单电极模式、横向滑动模式和独立模式。值得注意的是，与双电极工作模式相比，单电极模式只涉及一个可以放置在空间任何地方或直接放置在地面上的三醇层，提供了高度优化的结构集成。
作为一种创新的能量收集技术，TENG的评估在很大程度上取决于其电能输出。然而，大多数单电极TENG（SETENG）产生的电荷输出明显不足以满足商业应用所需的能量需求。这种不足可归因于可实现的饱和电荷状态有限，这源于介电层对主电极的影响不足。理论分析表明，虽然电介质到电介质接触分离模式SETENG的最大电荷转移效率（ηCT）被限制在50%的上限，但双电极TENG可以获得接近100%理想阈值的ηCT。例如，最近的一项研究总结了当代研究中报告的SETENG的功率密度数据，揭示了这些设备中的大多数表现出的功率密度范围从毫瓦每平方米（mW/m²）到几瓦每平方公尺（W/m²）。因此，提高SETENG的电荷产生能力仍然是一个艰巨的挑战。

为了提高SETENG的电荷产生能力，已经进行了一系列尝试，例如选择高性能的摩擦材料、电荷缺陷调谐、添加导电网络和表面物理/化学改性。在这些方法中，表面物理/化学改性因其易于操作而具有可扩展应用的巨大前景，通过在摩擦材料表面制作微观结构来提高接触亲密度。通过这种方法，摩擦材料的选择至关重要，理想情况下优先考虑具有最佳表面性能的材料，如高表面粗糙度、适当的表面能和化学稳定性。这些特性通过增加有效接触面积和提高电荷转移效率来增强摩擦电效应，从而显著提高SETENG的整体性能。

蚕丝来源于蚕茧（Bombyx mori），被认为是一种著名的天然蛋白质纤维，由交织在一起的疏水性丝素（SF）长丝和像胶水一样的亲水性丝胶（SS）组成，充当粘合剂，无缝连接层内和层间SF，形成高度整合的层次结构。由于丝的良好性能，包括柔韧性、生物相容性和供电子能力，它促进了许多基于丝的双电极TENG的发展，但SETENG的探索和提出仍然相对有限。例如，He等人通过将SF与聚丙烯酰胺、氧化石墨烯和聚（3,4-乙撑二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸）精确混合，巧妙地设计了一种基于可拉伸导电水凝胶的SETENG。这种制造丝绸基复合水凝胶的创新方法优先考虑了机械性能。然而，这种关注导致了电气性能的权衡，导致相对较低的能量输出，只能照亮20个商业绿灯。此外，Gogurla等人提出了一种基于蛋白质的SETENG，该SETENG采用嵌入丝膜内的银纳米线（AgNW）电极来实现能量收集和传感器监测。尽管如此，该设备的峰值功率密度为2 mW/m²，这仍然不足以满足广泛的应用场景。这种相对较低的功率密度是由于缺乏对摩擦电对序列的更优化选择，这限制了电荷产生的效率。因此，迫切需要新的方法来克服与有限电输出相关的挑战，并通过简单有效的方法制造高性能、可拉伸的丝绸基SETENG。

本文亮点

1. 本工作提出了一种制备基于丝的SETENG的策略，并介绍了具有高功率能力的柔性电子器件的介电常数增强，其特征是可控的孔结构和粗糙的表面形态。

2. 通过将MXene掺入聚乙烯醇（PVA）、丝素蛋白（SF）和丝胶（SS）溶液中的精细过程，成功合成了均匀一致的PVA/SF/SS/MXene（MFS）薄膜。

3. SS通常被视为丝绸纤维生产中的废物副产品，它对MXene表现出了优异的分散能力，MXene是一种出了名的难以分散的材料。

图文解析

图1. MFS薄膜的概念、制备和特性：a.分级多孔MFS薄膜结构的示意图；b.MFS-0.25%薄膜的表面形态；c.MFS-0.25%薄膜的EDS，包括c、N、O和Ti元素；d和e.MFS-0.25%薄膜的横截面形态；f.所制备的MFS膜的数码照片，对比MXene含量；g.MFS膜的XRD光谱；h.不同MFS膜的FTIR。

图2. MFS膜的结构特征：a.不同MFS膜具有代表性的应力-应变曲线；b.各种MFS膜的应力和应变总结；c.拉伸断裂后MFS-0.25%膜的表面形态；d.MFS膜的潜在自组装过程；e.SFP膜的表面电位差；f.MFS-0.25%薄膜的表面电位差；g.SFP膜的粗糙度；h.MFS-0.25%膜的粗糙度；i.SFP膜和基于MFS的膜的功函数；j.SFP膜和MFS-0.25%膜的功函数变化图。

图3. MFS/F-SETENG的工作机制：a.TENG全周期电力传输过程的说明；b.TENG中电位分布的COMSOL模拟；c.不同MFS膜的介电常数。

图5. MFS/F-SETENG作为能量采集器的应用：a.MFS-0.25%/F-SETENG在不同外部负载电阻下的功率密度；b.我们制造的MFS-0.25%/F-SETENG与丝基TENG的功率密度比较；c.MFS-0.25%/F-SETENG作为电源工作时的等效电路；d.各种容量的MFS-0.25%/F-SETENG充电电容器；为MFS-0.25%/F-SETENG的小型电子设备充电和供电：e.计算器；f.计时器；g.时钟；h.为MFS-0.25%/F-SETENG的390个LED灯供电（i：点亮前的LED灯；ii：通电后的LED灯）。

图6. MFS/F-SETENG作为人体运动监测的自供电可穿戴传感器的应用：不同角度的手腕运动检测：a.30°；b.45°；c.90°；手指弯曲检测，角度变化d.30°；e.45°；f.90°；g.MFS/F-SETENG用于检测g.行走；h.运行检测；i.跳跃。

图7. MFS/F-SETENG在自供电传感中的实际应用：a.通过敲击MFS/F-SET ENG的蓝牙信号传输系统；b.压力传感系统的原理图包括3×3通道、多通道采集、实时传感和统计结果的光学和原理图；c.以1、2、3、4、5、6、7、8和9的顺序分接不同像素时的实时输出电压信号；d.按47、12、28、37和13的顺序分接不同通道的实时输出电压信号；e.放大了13个像素的输出电压信号；f.MFS/f-SETENG传感器在感测位于感测阵列中的不同字母时的压力分布。

来源：华算科技